A filmművészet egyik legnagyobb mestere Rómában látta meg a napvilágot. Pályáját amatőr filmesként kezdte. Az 1930-as évek végén forgatókönyvek írásában vett részt, majd készített néhány rövid természetfilmet. Az antifasiszta ellenállás időszakában játszódó Róma nyílt város (1945) világsikere után az olasz neorealizmus atyjának kiáltották ki. A film közvetlen kapcsolatot teremtett az utca emberével, valóságos érzelmeket, valóságos helyzeteket mutatott be. Ezután forgatott filmjei: Stromboli (1949), Utazás Olaszországban (1953) nem voltak sikeresek, ezért rövid időre a színház felé fordult, megrendezte Verdi Otellóját, és Honegger Johanna a máglyán című oratóriumát. 1959-ben ismét sikert aratott az ellenállás időszakát szokatlan hangnemben feldolgozó Della Rovere tábornok című filmje, Vittorio de Sica főszereplésével. Jelentős alkotásai még: Rómában éjszaka volt (1960), Vanina Vanini (1961). 1975-ben készült utolsó filmje, a Messiás, Jézus életének izgalmas, modern szellemiségű feldolgozása. Ingrid Bergmannal kötött házasságából született ikerleányai közül Isabella Rossellini szintén filmszínésznő, s hosszú évekig a Lancome illatszercég sikeres modellje is volt.