Née d'un père napolitain et d'une mère estonienne, Francesca Romana Rivelli rêve de devenir danseuse, mais c'est comme modèle qu'elle pose dès l'âge de quatorze ans pour des magazines et des romans-photos. Alors qu'elle accompagne sa soeur aînée à une audition, elle est repérée par Damiano Damiani qui lui donne alors son nom d'artiste en souvenir de ce jour où elle attendait, muette (muti) dans un coin. Le réalisateur lui offre son premier film qui est aussi un premier rôle : Seule contre la mafia (1970), dont le succès lance sa carrière.

Ornella Muti apprend petit à petit son métier d'actrice et multiplie les expériences, tant dramatiques que comiques, dont on retiendra notamment Romances et confidences (1974) de Mario Monicelli. En 1975, elle rencontre Marco Ferreri qui saura exploiter au mieux sa féminité à travers trois de ses compositions les plus marquantes dans La Dernière femme (1976), Le Futur est femme (1984) et surtout Contes de la folie ordinaire (1981) où la féline incarne Cass, prostituée inspiratrice du poète désoeuvré Ben Gazzara. En 1987, la belle se présente sur la Croisette pour les besoins de Chronique d'une mort annoncée, un drame de Francesco Rosi projetéen compétition officielle.

Menant une carrière internationale, c'est aux côtés d'Alain Delon qu'elle est révélée en France, dix ans auparavant, dans le film policier de Georges Lautner Mort d'un pourri (1977). Elle retrouve l'acteur en 1983 dans l'adaptation d'Un amour de Swann signée Volker Schlöndorff. Séjournant cinq années aux Etats-Unis, elle ne rencontre toutefois pas le succès escompté malgré son rôle de princesse Aura dans Flash Gordon (1980, Mike Hodges).

Au cours des années 90, l'actrice se fait plus rare, tournant surtout en Italie quelques films à la facture confidentielle. C'est en avocate tiraillée entre son mari et son amant qu'elle revient en France en 1997 dans l'enjoué Pour rire ! de Lucas Belvaux, un réalisateur qu'elle retrouvera en 2002 pour les besoins de sa trilogie Un couple épatant / Après la vie / Cavale. Mais son retour est surtout remarqué par son interprétation de Mercedès dans la version télévisée du Comte de Monte-Cristo (1998, Josée Dayan), où elle donne à nouveau la réplique à Gérard Depardieu, 22 ans après La Dernière femme.

Dans les années 2000, Ornella Muti se tourne contre toute attente vers la comédie en s'autoparodiant en aristo fêtarde pour les besoins de Jet set (2000) et People Jet set 2 (2004), tous deux réalisés par Fabien Onteniente, et en gérante d'hôtel compagne de l'ancien Géo Popeye dans Les Bronzés 3 amis pour la vie (2005).