Urodziła się wRzymie jako córka Adele Vittiglii i Angela Ceciarelliego[6][7]. Występowała w domu przed młodszym rodzeństwem. Zaczynała od amatorskich przedstawień teatralnych. W 1953 ukończyła studia aktorskie wCentro sperimentale di cinematografia w Rzymie.
Pierwszą rolę filmową powierzył jejEttore Scola w swoimRidere! Ridere! Ridere! (1954). W 1957 przyłączyła się do Teatro Nuovo di Milano, sceny kierowanej wówczas przezMichelangela Antonioniego[8].
Wkrótce zagrała w jego znanym filmiePrzygoda (1960), za rolę w którym otrzymała nagrodę jury na13. MFF w Cannes. Krytycy zachwycili się rolą Claudii, chłodnej kobiety z zamożnego towarzystwa, która rozwija romans z chłopakiem swojej zaginionej przyjaciółki. Później wzięła jeszcze udział w innych produkcjach Antonioniego:Nocy,Zaćmieniu iCzerwonej pustyni[9].
Spróbowała teżhollywoodzkiej kariery, grając tytułową rolę w filmieModesty Blaise (1966), opartym nakomiksie o tym samym tytule. Film był jednak porażką w zgodnej opinii zarówno krytyków jak i publiczności. Vitti wróciła więc do Europy, gdzie zagrała uLuisa Buñuela wWidmie wolności i raz jeszcze pracowała z Antonionim przy realizacjiTajemnicy Oberwaldu.
W 1989 napisała scenariusz do dramatuSekretny skandal (Scandalo segreto), który sama wyreżyserowała i w którym zagrała główną rolę zElliottem Gouldem. Był to jej ostatni występ na dużym ekranie.
O jej życiu prywatnym wiadomo niewiele, choć w 1993 opublikowała swoją autobiografię pod tytułemSette sotane (wł.Siedem spódnic). Dwa lata później poślubiła Roberta Russo.
Była na okładkach magazynów takich jak „L’Europeo”, „Film”, „Elle” czy „Vogue”[11].
Ostatni raz wystąpiła publicznie w 2002 na paryskiej premierze musicalu scenicznegoNotre-Dame de Paris. W 2015 wycofała się z życia publicznego z powoduchoroby Alzheimera. W 2018 jej mąż potwierdził, że nadal mieszka z nim w domu w Rzymie i że osobiście się nią opiekował z pomocą opiekunki. Vitti zmarła z powodu powikłań choroby Alzheimera 2 lutego 2022 w wieku 90 lat[13].