Diplômé en philosophie, Gianni Amelio fréquente le Centro Sperimentale di Cinematografia avant de débuter dans les années 60 comme assistant réalisateur pour Gianni Puccini, Anna Gobbi ou encore Andrea Frezza. Il se lance dans la réalisation en 1970 avec un téléfilm intitulé La Fine del giocco. Commence alors une grande histoire d'amour avec le petit écran qui se poursuivra avec La Città del sole (1973), le making of Bertolucci secondo il cinema (1975) et La Morte al lavoro (1978).

Son oeuvre se fait plus cinématographique à partir des années 1980. Avec le drame Colpire al cuore, qu'interprètent Jean-Louis Trintignant et Laura Morante, Gianni Amelio remporte le Prix AIC du Festival de Venise en 1982. Devenant un habitué de la Mostra, il reçoit le Prix spécial de la mise en scène pour Lamerica en 1994, le Lion d'Or pour Mon frère en 1998, et voit Les Clefs de la maison, l'histoire d'un père et de son fils handicapé, présenté en sélection officielle du Festival en 2004.

C'est en 1990 que Gianni Amelio accède à la reconnaissance internationale grâce à Portes ouvertes, nominé à l'Oscar du Meilleur film étranger. Gian Maria Volonte y interprète un juge sicilien qui, en 1937, va défendre contre la cour et contre lui-même un homme coupable de trois crimes. Suit en 1992 Les Enfants volés, un drame également récompensé, mais cette fois-ci du Grand Prix du jury au Festival de Cannes. L'Etoile imaginaire, réalisé en 2006, a été présenté en compétition lors du Festival de Venise de la même année.