Em 1937 muda-se para Florença, onde trabalha como caricaturista. No ano seguinte vai para Roma estudar direito, mas acaba criando histórias em quadrinhos e canções para o teatro de revista e rádios. Começa no cinema aos 19 anos, escrevendo roteiros de comédia.
Em 1945 colabora no roteiro de um dos marcos inaugurais do neo-realismo italiano, Roma, Cidade Aberta, de Roberto Rossellini. Estréia na direção em 1952, com Abismo de um Sonho. Casa-se em 1943 com Giulietta Masina, estrela de vários de seus filmes. Em 1953 realiza Os Boas-Vidas. A consagração vem com A Estrada da Vida (1954), ganhador do Oscar de melhor filme estrangeiro e do Leão de Ouro no Festival de Cinema de Veneza.
Em 1957 conquista o segundo Oscar com As Noites de Cabíria. Em 1960 filma A Doce Vida, que trata da decadência da burguesia italiana. Três anos depois dirige Fellini Oito e Meio, obra autobiográfica sobre um cineasta em crise.
O filme rende-lhe o terceiro Oscar. Com Amarcord (1973) - que quer dizer eu me lembro no dialeto natal de Fellini - ganha o quarto Oscar. No filme, reconstrói sua juventude em Rimini durante a ascensão política do fascismo. O último sucesso de público é E la Nave Va, rodado em 1983. Dez anos depois recebe mais um Oscar, pelo conjunto da obra. Seu último filme é A Voz da Lua (1990).