1931. november 3-án Rómában született, Maria Luisa Ceciarelli néven. 1953-ban végezte el a római Színművészeti Akadémiát, Róma mellett Milánó és Genova színházaiban játszott. Egy színházi előadáson, 25 éves korában figyelt rá Michelangelo Antonioni, aki először szinkronfeladatot bízott Monicára A kiáltás című filmjében, de az igazi fordulatot A kaland című közös filmjük jelentette, melyben ő alakította a főszerepet. Ezután következett Az éjszaka című film, majd A napfogyatkozás, Alain Delon oldalán. Játszott Antonioni első színes filmjében, a Vörös sivatagban is.
A drámai szerepek mellett gyakran játszott vígjátékokban is, az erotikus botrányfilmjeiről ismert Tinto Brass szatírája, A repülő csészealj volt karrierjében a fordulópont, de szerepelt a Cicababák és a Tündéri nők című habkönnyű vígjátékokban is. Ettore Scola Féltékenységi dráma című filmjében Marcello Mastroianni volt a partnere, de kis szerepben feltűnt Luis Bunuel A szabadság fantomja című abszurd filmjében is.
Vitti elvállalta Jancsó Miklós első olasz nyelvű filmje, A pacifista című dráma főszerepét is. A rendezővel az 1968-as cannes-i filmfesztiválon találkoztak, ahol Vitti zsűriként volt jelen, Jancsó pedig Csillagosok, katonák című filmjével érkezett a versenybe. Vittinek nagyon tetszett a rendező filmje, Máté Judit újságírónőnek később azt nyilatkozta, hogy heves vitákat folytatott a zsűri többi tagjával, hogy a Csillagosok, katonák kapja a nagydíjat.
Monica Vitti és Pierre Clémenti A pacifista című Jancsó-filmben
1968 őszén Budapestre utazott, hogy találkozzon a rendezővel. A pacifista sajnos bukás volt a külföldi mozik műsorán, Jancsó Miklós szerint ez annak volt köszönhető, hogy a főszereplőjét főleg könnyed olasz vígjátékokban ismerték a nézők, és nem tudták őt egy drámaibb szerepben elfogadni. A magyar közönség is leginkább a vígjátéki filmszerepeit ismeri, ilyen a Narancsos kacsasült és az Éjfélkor indul útjára a gyönyör című vígjátékok, utóbbiban Vittorio Gassman és Claudia Cardinale voltak a partnerei. Gina Lollobrigidával és Sophia Lorennel az 1960-as évek legismertebb filmszínésznői közé tartoztak.
1986-tól a Silvio D’Amico Színházművészeti Akadémián tanított, és rendezéssel is kísérletezett. Hosszú évekig élt együtt Michelangelo Antonionival, Carlo Di Palma operatőrrel és Roberto Russo filmrendezővel. 2001-ben vonult vissza a filmezéstől, hosszan tartó Alzheimer-kór után hunyt el.
