Maria Luisa Ceciarelli néven született Rómában 1931-ben, művésznevét 1954-ben vette fel. Hamarosan az olasz filmművészet olyan nagyságaival emlegették egy lapon, mint Alberto Sordi, Marcello Mastroianni, Vittorio Gassman és Nino Manfredi.
Michelangelo Antonioninak, aki felfedezte és múzsájaként tekintett rá, több filmjében szerepelt, elsőként 1960-ban A kaland című drámában, amelyet Cannes-ban a zsűri díjával jutalmaztak. Később a rendezőnek Az éjszaka, a Napfogyatkozás és a Vörös sivatag című filmjeiben is sikert aratott.Alzheimer-kórral küzdött.

1971-ben ő volt Jancsó Miklós A pacifista című, Olaszországban forgatott filmjének főszereplője, de a közös munka mindkettejük számára csalódásnak bizonyult: a forgatás feszült hangulatban folyt, a film pedig megbukott. Vitti 1970-ben Marcello Mastroiannival játszotta el a Féltékenységi dráma főszerepét Ettore Scola romantikus vígjátékában, majd 1974-ben emlékezetes alakítást nyújtott Luis Bunuel A szabadság fantomja című alkotásában. Pályafutása során olyan kiváló partnerei voltak, mint Giancarlo Giannini, Alain Delon és Vittorio Gassman.

Későbbi férje, Roberto Russo Flört című filmjében nyújtott alakításáért 1984-ben a Berlinalén díjazták. 1995-ben pedig a velencei filmfesztiválon ismerték el pályafutását Arany Oroszlán-díjjal. A legjelentősebb olasz filmes kitüntetést, az Olasz Filmművészeti Akadémia David di Donatello-díját összesen hat alkalommal vehette át.