Élève à l'Académie d'art dramatique, Monica Vitti débute au théâtre par des tournées et dans des petits spectacles (reviste da camera). En 1955, elle apparaît dans Ridere, ridere, ridere (A. Bonnucci) et Le dritte (M. Amendola, 1958). Puis c'est la rencontre avec Michelangelo Antonioni, qui en fait une vedette dans sa tétralogie : L'avventura (1960), La Nuit (1961), où elle n'a pourtant que le second rôle, L'Éclipse (1962) et Le Désert rouge (1964). Cette célébrité, pleinement justifiée, est due au cinéaste qui a totalement transformé une actrice de comédie, voire de comédie légère, en interprète de ses interrogations sur la femme moderne (son sentiment de l'absurde, de l'incommunicabilité). Monica Vitti devient ainsi, surtout dans Le Désert rouge, un symbole de l'ennui et de l'angoisse, et vouée à un jeu statique. L'actrice ne tarde pas à reprendre le dessus, consacrant son professionnalisme, après sa subtile autoparodie dans un épisode du film Haute Infidélité (L. Salce, 1964, La Femme qui soupire), à l'exploitation de sa veine comique, qui s'étend du grotesque au satirique en passant par l'acidité brillante.
Elle a aussi été l'excellente partenaire d'Alberto Sordi dans Poussière d'étoile (1973) et a fait preuve tour à tour d'émotion et de fantaisie dans Moi la femme (Dino Risi, 1971), où elle joue une dizaine de rôles successifs. Consacrant de plus en plus de temps au théâtre (Drôle de couple de Neil Simon en 1986 ; Prima pagina The Front Page de Ben Hecht et MacArthur en 1988) et à la télévision, elle réalise cependant en 1990 son premier film Scandale secret (Scandalo secreto) dont elle est également la principale protagoniste. Il s'agit de son dernier film.
En couple avec Michelangelo Antonioni à la ville de 1957 à 1967, elle a ensuite épousé le réalisateur Roberto Russo, en 1995. Ils vivaient en semble depuis une vingtaine d'année déjà, et c'est lui, en 2011, qui a annoncé que Monica Vitti souffrait de la maladie d'Alzheimer depuis la fin des années 1990. C'est à cette période qu'elle s'est éloignée de la vie médiatique.
Elle a remporté plusieurs prix prestigieux au cours de sa carrière, notamment cinq César italiens, les David Di Donatello, et un Lion d'Or à la Mostra de Venise pour l'ensemble de sa carrière, en 1995.
