Ornella Muti naît sous le nom d'état civil de Francesca Romana Rivelli en 1955 à Rome. Son père est un journaliste d'originenapolitaine ; sa mère, Ilse Renate Krause, est une sculptrice d'origineestonienne etgermano-balte[8] par son père etrusse (deSaint-Pétersbourg) par sa mère[9]. Elle a une sœur aînée,Claudia Rivelli(it), également actrice, qui a joué pendant plusieurs saisons dans les années 1970 dans desroman-photos[10].
Ses débuts au cinéma ont lieu à l'âge de14 ans, en 1969, lorsqu'elle est choisie parDamiano Damiani pour jouer dans son filmSeule contre la mafia. Son personnage est inspirée de celui deFranca Viola, originaire d'Alcamo enSicile, qui, en 1965, à17 ans, fut la première femme italienne à refuser unmariage forcé. Comme il y avait déjà une actrice portant le même nom de famille qu'elle,Luisa Rivelli, Damiani l'a obligée à utiliser le nomOrnella Muti, qui allait devenir sonnom de scène tout au long de sa carrière. Son prénom provient de l'œuvre littéraire deGabriele D'Annunzio, car Ornella est un personnage deLa Fille de Jorio(it), tandis que son nom de famille dérive d'Elena Muti, la protagoniste deL'Enfant de volupté[11].
Sa rencontre professionnelle la plus importante a lieu en 1974, lorsqu'elle tourne dansRomances et Confidences deMario Monicelli, dans le rôle de la belle jeune Vincenzina (elle est enceinte pendant le tournage), avecUgo Tognazzi dans le rôle de l'ouvrier milanais Basletti. Le film a été un grand succès et a accru sa notoriété.
En 1992, elle participe àNon chiamarmi Omar(it), une comédie réalisée parSergio Staino et inspirée de la nouvelleNudi e crudi d'un autre dessinateur,Francesco Tullio-Altan, sans grand succès. Elle enchaîne avec les productions américainesL'embrouille est dans le sac avecSylvester Stallone etBanco pour un crime, toutes deux en 1991. Bien connue en France, elle y est souvent apparue à la télévision, à la fois comme actrice dans des fictions et comme mannequin pour des publicités. En 1994, elle a été élue « plus belle femme du monde » par le magazine américainClass[17]. L'année suivante,El amante bilingüe, réalisé par le prestigieux réalisateurVicente Aranda, sort en Italie, en Espagne et en Amérique du Sud. Après une période d'absence du grand écran, elle revient en 1999 avecPanni sporchi, deMario Monicelli.
En 2012, Ornella Muti a participé au film deWoody Allen tourné en Italie,To Rome with Love[19], où elle a côtoyé des acteurs connus mondialement, dontRoberto Benigni,Alec Baldwin,Penélope Cruz et Allen lui-même. L'année suivante, elle joue, avec sa filleNaike Rivelli, dans le clip et la chanson produits par Alexandra DamianiQueen Of The Dancefloor.
En 2017, elle joue dans la série télévisée italienneSirene(it), produite par laRai[20], ce qui lui vaut un regain de notoriété auprès de la population plus jeune. En 2018, elle a joué dans la websérieAmami !.
Ornella Muti a été mariée deux fois : la première avecAlessio Orano (de 1975 à 1981), la seconde avecFederico Facchinetti (de 1988 à 1996). De ce second mariage, elle a eu deux enfants : un fils, Andrea, et une fille, Carolina.
Elle a eu une première fille,Naike Rivelli (elle aussi devenue actrice), née en 1974. Ornella Muti n'a jamais révélé le nom du père. Naike dément la rumeur selon laquelle il s'agirait du producteur espagnolJosé Luis Bermudez de Castro[26]. Naike qui n'a pas été reconnue par son père, porte le patronyme de sa mère, « Rivelli ».
À partir de 1998, Ornella Muti a pour compagnon le chirurgien esthétique Stefano Piccolo. Après dix ans de vie commune, elle le quitte en 2008, pour le FrançaisFabrice Kerhervé.
Par sa fille Naike Rivelli, Ornella Muti est grand-mère d'un petit garçon né en 1996, prénommé Akash.
En 2014,Adriano Celentano a révélé avoir eu une liaison avec Ornella Muti au début des années 1980, l'actrice a réagi avec courroux par une interview surIl Fatto Quotidiano à la décision unilatérale du chanteur de dévoiler cet épisode[27].