Giulietta Masina grandit près de Bologne avec un père professeur de musique et violoniste et une mère chef d'orchestre. Mais c'est lors de ses séjours fréquents chez sa tante, à Rome, qu'elle découvre avec émerveillement le monde du spectacle. Inscrite dans une institution religieuse où elle prend des cours de danse et de musique, elle étudie la philosophie à l'université. Elle joue dans ses premiers spectacles avec la troupe de la faculté de Rome.

En 1942, elle est l'héroïne d'une fiction radiophonique racontant la vie d'un jeune couple, Cico e Pallina. A cette occasion, elle rencontre l'un des auteurs de ce programme, Federico Fellini, qu'elle épousera en 1943. Elle fait sa première apparition à l'écran (non créditée) dans un film dont il est l'un des scénaristes, Paisà de Roberto Rossellini, un ami du couple. Son époux a également co-écrit Sans pitié d'Alberto Lattuada (1948), dans lequel elle joue le rôle d'une prostituée -avec à la clé un Prix du Meilleur second rôle remis par la critique italienne. Fellini fonde avec Lattuada une coopérative de production, ce qui lui permet de co-réaliser son premier long métrage, Les Feux du music-hall (1950). Au sein de ce portrait d'une troupe itinérante, il confie à sa compagne le rôle d'une chanteuse humble et rêveuse nommée Melina Amour.

De plus en plus sollicitée par d'autres cinéastes, Giulietta Masina connaît cependant la consécration grâce à sa prestation dans La Strada, Lion d'Argent à Venise en 1954 et Oscar du Meilleur film étranger en 1956. Les spectateurs sont émus par le regard naif de Gelsomina, femme-enfant qui traverse les routes et les épreuves aux côtés de son compagnon, le rugueux Zampano (Anthony Quinn). Lassée des personnages de prostituées (elle en campait une dans "Les Volets clos" de Comencini en 1951), elle accepte néanmoins celui de Cabiria, écrit par son époux. Il apparait d'abord dans Courrier du coeur en 1952, avant d'être au centre d'un long métrage, Les Nuits de Cabiria. Bouleversante en femme de petite vertu mais au grand coeur, l'actrice, qui compte Chaplin parmi ses admirateurs, décroche le Prix d'interprétation à Cannes en 1954.

Épouse trompée dans Il Bidone, Giulietta campe une secrétaire idéaliste dans "La Grande vie" de Julien Duvivier. Loin du registre réaliste qui l'a rendue célèbre, elle est l'héroïne de l'étrange et onirique Juliette des esprits (1965), le premier film en couleurs de Fellini. S'éloignant durablement des plateaux de cinéma, elle anime à la fin des années 60 une émission de radio très populaire dans laquelle elle répond aux questions des auditeurs. De plus en plus rare au cinéma, elle forme avec Ginger et Fred, et devant la caméra de son époux, un tendre tandem dans Ginger et Fred, évocation nostalgique du monde du music-hall. En 1991, elle apparait une dernière fois à l'écran, en mamma inquiète dans Aujourd'hui peut-être.... Muse du plus forain des cinéastes, qui la comparait volontiers à un clown, Giulietta Masina s'éteint quelques mois après lui, emportée par un cancer.