Nasce a Roma il 3 novembre 1931.

Dopo piccole parti in alcuni film minori, Sulla spiaggia del 1954, Una pelliccia di visone del 1956, la Vitti interpreta un primo ruolo di rilievo in Le dritte di Mario Amendola, nel 1958. Viene notata dal regista Michelangelo Antonioni: cerca una interprete che fornisca la voce, un pò sfiatata, alla benzinaia del suo film Il grido (1957) e la giovane attrice fa proprio al caso suo. Ne diviene per alcuni anni la compagna e musa ispiratrice, interprete privilegiata nei film sull’esistenzialismo del regista e sull’incomunicabilità dei propri personaggi, in eterno conflitto con una realtà incomprensibile e inafferrabile: sono la “trilogia esistenziale” del regista, L’avventura, La notte e L’eclisse degli anni 1960-62 e successivamente Il deserto rosso del 1964. Il successo ottenuto in Italia con questi film le dà una significativa notorietà che le consentirà negli anni di partecipare a coproduzioni internazionali con registi di rilievo: Roger Vadim ne Il castello in Svezia (1963), Joseph Losey in Modesty Blaise, la bellissima che uccide (1966), Miklos Jancso ne La pacifista (1971), Luis Bunuel ne Il fantasma della libertà (1974). La relazione con il regista dura alcuni anni, sino al 1966; le loro vite si dividono quando Antonioni si reca in Inghilterra a girare Blow-Up con l'attrice Vanessa Redgrave e la fine del sodalizio, sentimentale ed artistico, con Antonioni porta la Vitti decisamente e definitivamente verso la commedia e ruoli comico-brillanti: in due episodi, in Alta Infedeltà (1963) e in Le fate (1966) diretti da Luciano Salce, interpreta due giovani donne, Gloria e Sabina, coinvolte in vicende al limite del paradosso, è nel cast degli attori di Il disco volante (1964) di Tinto Brass, è impegnata in ruoli più centrali in Fai in fretta ad uccidermi... ho freddo (1966) di Francesco Maselli, in Ti ho sposato per allegria (1967) di Luciano Salce e ne La cintura di castità (1967) di Pasquale Festa Campanile. La peculiarità dell'attrice è però sacrificata dalla struttura tipica della Commedia all'Italiana che assegna i ruoli comico-brillanti ad interpreti maschili, relegando i personaggi femminili a ruoli marginali; La ragazza con la pistola del 1968, di Mario Monicelli, è il primo film in cui viene superato questo stereotipo: la protagonista è una ragazza siciliana, sedotta e abbandonata, che insegue a Londra il suo seduttore per vendicarsi, finendo con l'acquisire la mentalità e i comportamenti di una vera inglese. A questa interpretazione, che le vale nel 1969 un Nastro d'argento e un David di Donatello,  seguiranno innumerevoli personaggi, svagati, stralunati, interpretati dalla Vitti, con uno stile di recitazione al limite del grottesco; questa sua peculiarità, caso unico nel panorama delle attrici italiane a lei contemporanee, le consente di confrontarsi da pari a pari con i grandi mattatori della commedia all'italiana, Sordi, Gassman, Tognazzi, Mastroianni, Giannini, dando vita ad episodi, storie improbabili, situazioni paradossali che sono rimaste nella storia del cinema italiano. Tanti i film e tanti i registi affermati con cui ha lavorato: Amore mio aiutami (1969) di Alberto Sordi,  Dramma della gelosia… (1970) di Ettore Scola, Ninì tirabusciò, la donna che inventò la mossa (1970) di Marcello Fondato, Noi donne siamo fatte così (1971) ancora di Dino Risi, Teresa la ladra (1973) di Carlo Di Palma, La tosca (1973) di Luigi Magni,  L’anatra all’arancia (1975) di Luciano Salce, Tango della gelosia (1981) di Steno, Camera d’albergo (1981) di Mario Monicelli, Io so che tu sai che io so (1982) di Alberto Sordi, ….  Premiata più volte, ha ricevuto nel corso della sua carriera sei David di Donatello, tre Nastri d’argento, un Orso d’argento nel 1984 al festival di Berlino e un Leone alla carriera nel 1995 alla Mostra internazionale del cinema di Venezia.

Allontanatasi definitivamente dalla vita pubblica nel 2002 per una grave malattia, muore a Roma nella sua abitazione assistita dal marito, il regista Roberto Russo, il 2 febbraio 2022.