Nonostante le sue origini umili e povere, nel 1933 Marcello arriva a prendere il diploma di perito edile, trova lavoro come contabile e si iscrive alla facoltà di Economia e Commercio. Si avvicina al teatro frequentando il Centro Teatrale Universitario. Qui conosce Giulietta Masina che in seguito lo presenterà al marito Federico Fellini, con il quale si formò uno straordinario sodalizio artistico e umano. Esordisce sul palcoscenico unendosi alla compagnia teatrale Besozzi, che in seguito lascia per entrare a far parte di quella di Luchino Visconti. Nel 1948 è in scena con "Un tram che si chiama desiderio", e in breve tempo si afferma come uno dei più dotati attori della sua generazione. Debutta sul grande schermo nel 1947 con "I Miserabili" di Riccardo Freda, anche se era già apparso al cinema in diversi film come per esempio "Marionette", 1938 di Carmine Gallone, "La corona di ferro", 1941 di Alessandro Blasetti. Nella sua carriera interpreta oltre 140 film rivelandosi ottimo interprete dei generi più diversi: dalla commedia sentimentale al dramma, dalla satira di costume al film storico fino ad arrivare al grottesco. Nei primi anni Sessanta incarna il simbolo del latin-lover e interpreta molti film tra cui "Il bell'Antonio"(1961) "Divorzio all'italiana"(1961), "8 e mezzo" di Fellini, e "Ciao Rudy". Nel 1968 gira il film "Amanti" di Vittorio De Sica, nel 1972 "La cagna", nel 1973 "Niente di grave, suo marito è incinto" e nel 1974 "Non toccare la donna bianca".
Nel 1985 è a Parigi diretto da Peter Brook e dieci anni dopo gira l'Italia portando in diversi teatri "Le ultime lune", una commedia sulla vecchiaia di Furio Bordon con cui riscuote gli ultimi successi prima di spegnersi nel 1996. Numerosi i premi e i riconoscimenti in Italia e all'estero, tra cui diverse nominations agli Oscar e ai Golden Globes e un Leone d'oro alla carriera nel 1990.