Моника Витти в юности принимала участие в любительских спектаклях и в 16 лет поступила в киноакадемию. По окончании Национальной академии драматического искусства (ит.) в Риме в 1953 году она была занята преимущественно в театре и одной из первых играла в пьесах Брехта и Ионеско. Её кинодебют состоялся в 1954 году, когда она исполнила небольшую роль в комедии «Смейся! Смейся! Смейся!». В 1957 году Моника Витти познакомилась с Микеланджело Антониони и стала его спутницей жизни на долгие годы. Актёрский успех пришёл к ней благодаря 4 фильмам Антониони, снятым с 1960 по 1964 годы. Прорывом для Витти стала роль в экзистенциальной драме Антониони «Приключение» 1960 года. По её словам: «Моя работа в фильме „Приключение“ обогатила все мои ощущения и в творческом, и в человеческом плане». В 1968 году Моника Витти была награждена призом за лучшую женскую роль в фильме Марио Моничелли «Не промахнись, Ассунта!» на Кинофестивале в Сан-Себастьяне.
Моника Витти, излучающая одновременно страстность и недоступность и убедительная как в комедийных, так и драматических ролях, стала иконой итальянского кино. Попытка Моники Витти утвердиться в англоязычном кино, сыграв заглавную роль в комедии Джозефа Лоузи 1966 года «Модести Блейз» по комиксу о «Модести Блейз» Питера О’Доннелла, потерпела неудачу.
Моника Витти является обладательницей пяти премий «Давид ди Донателло». В 1974 году входила в состав жюри Каннского кинофестиваля. В 1984 году роль в фильме «Флирт» принесла ей «Серебряного медведя» Берлинского кинофестиваля. Этот фильм, над которым Моника Витти работала и как сценарист, стал режиссёрским дебютом её спутника жизни Роберто Руссо, за которого она вышла замуж в 1995 году.
В 1989 году Витти выступила как режиссёр, автор сценария и актриса фильма Scandalo segreto. После него Моника Витти покинула кинематограф, однако продолжала сниматься на телевидении и работать в театре. В 1993 году Моника Витти опубликовала пользовавшуюся успехом автобиографию «Sette sottane». В 1995 году на Венецианском фестивале её заслуги перед кинематографом были отмечены «Золотым львом».
Моника Витти скончалась 2 февраля 2022 года на 91 году жизни из-за осложнений, вызванных болезнью Альцгеймера.