Hija de un farmacéutico, tras estudiar en el extranjero, Vanoni vuelve a Milán y se acerca al mundo del espectáculo, iniciándose en 1953 como actriz en la escuela del Piccolo Teatro de Milano dirigida por Giorgio Strehler, su maestro y compañero sentimental durante cuatro años.
En la segunda mitad de los años 60 inicia una relación artística y sentimental con Gino Paoli, quien escribe para ella Senza fine, un gran éxito en Italia.
En 1967 logra grandes éxitos televisivos en los que Ornella Vanoni se afirma como refinada y sensual intérprete de la canción melódica italiana.
En España se hacen muy populares, donde también obtienen gran éxito su canción Io ti darò di più y la versión que hizo en la banda sonora de la película Anónimo veneciano.
En los años 80, Ornella Vanoni se confirma como la “señora de la canción italiana”, un título que es reconocido por su refinamiento y sus éxitos discográficos continuos.
En los años 90 inicia una colaboración con Mario Lavezzi, productor y compositor (Insieme a te, Stella nascente o Piccoli Brividi).
El éxito conjunto es refrendado con la publicación del doble álbum CD y DVD VanoniPaoli Live.