Director de cine italiano, nacido en Roma en el seno de una familia de industriales cinematográficos. Mientras rodaba películas de corte documental en 1934, propaganda política del régimen fascista de Benito Mussolini, secretamente filmaba la vida en Roma durante los últimos días de la II Guerra Mundial.

Estas escenas las incorporó a Roma, ciudad abierta (1945), obra maestra y emblema del neorrealismo con guión de Federico Fellini, y Paisa (1946). Ambas películas se caracterizan por el compromiso social, las localizaciones realistas, la utilización de la fotografía en blanco y negro, de grano grueso, y el empleo de actores no profesionales. Otras películas notables del neorrealismo serían Alemania año cero (1947), sobre la posguerra en ese país, Stromboli (1949), protagonizada por Ingrid Bergman, con quien se casó tras una complicada relación que a la actriz le acarreó el rechazo de la puritana sociedad estadounidense y le impidió trabajar en aquel país durante años.

En 1950 dirigió Francisco, juglar de Dios, y en 1952 Europa 1951. Con ambas películas se convierte en el maestro e inspirador de un estilo de comedia italiana realista que continuarán entre otros Vittorio de Sica y el español Luis García Berlanga con La máquina matamalvados (1948).

Sin embargo, los problemas que tiene con la industria le hacen abandonar el cine y dedicarse plenamente a la televisión. Realiza entonces varias series históricas aclamadas internacionalmente, como La edad del hierro (1964), o La ascensión al poder de Luis XIV (1966), y otros telefilms más irregulares: Sócrates (1971), o Blaise Pascal (1974). Isabella Rossellini, hija suya y de Ingrid Bergman, es actriz, y su hermano Renzo, compositor, ha escrito la música de varias de su películas.