[2]​[3]​ Entre sus películas más destacadas figuran La dolce vita, 8½, La Notte, Divorcio a la italiana, Ayer, hoy y mañana, Matrimonio estilo italiano, La decima vittima, Un día especial, Ciudad de mujeres, Enrique IV, Ojos negros y Stanno tutti bene (Están todos bien).

[6]​ Durante la Segunda Guerra Mundial, tras la división entre la Italia del Eje y la de los Aliados, fue internado en un campo de prisioneros alemán poco vigilado, del que escapó para esconderse en Venecia.

La colaboración con Fellini, a la larga tan fructífera, continuó en 8½ (1963), en la que Mastroianni interpretó a un director de cine frustrado y mujeriego, Guido Anselmi, marcado con inequívocos rasgos autobiográficos del propio Fellini.

Se destaca que formó una pareja cinematográfica reconocida con Sophia Loren en Una jornada particular de Ettore Scola; ambos entregaron en 1992 un Óscar honorífico a Federico Fellini.

Fue dirigido por otros directores como Vittorio De Sica, Mario Monicelli, Luigi Comencini, Luchino Visconti, Federico Fellini, Michelangelo Antonioni, Mauro Bolognini, Carlo Lizzani, Jules Dassin, Ettore Scola, Pietro Germi, Louis Malle, Valerio Zurlini, Roman Polanski, Giuseppe Tornatore, Nikita Mijalkov o Manoel de Oliveira, con quien rodó su último trabajo en el cine: Viaje al principio del fin del mundo (1997), se estrenó póstumamente.

[20]​ Pero durante ese tiempo tuvo relaciones con un gran número de mujeres, casi todas ellas famosas: Anouk Aimée, Ursula Andress, Claudia Cardinale, Faye Dunaway y otras.

En una célebre entrevista él lo resumía así: «Si por mí fuera, nunca rompería con nadie.

[22]​ Sus dos hijas, así como Catherine Deneuve y Anna Maria Tatò, estaban a su lado.

[25]​ Tatò dijo que Mastroianni le había otorgado todos los derechos de sus películas.