Née dans la région de Pérouse, Monica Bellucci commence sa carrière dans le mannequinat. Après des études de droit, elle s'oriente vers la comédie et tourne dans un téléfilm de Dino Risi, Vita coi fligi (1990), avant d'obtenir son premier rôle important dans La Riffa (1991) de Francesco Laudadio.Peu de temps après, elle est repérée par Francis Ford Coppola qui lui offre un petit rôle dans son Dracula (1992). Elle enchaîne quelques films en Italie, avant d'arriver en France, où elle se fait connaître avec L'Appartement (1996) de Gilles Mimouni. C'est sur le tournage de cette romance qu'elle fait la rencontre de Vincent Cassel, son futur mari. Les deux amants se donneront notamment la réplique dans les sulfureux Dobermann (1997) de Jan Kounen et Irréversible (2002) de Gaspar Noé, où elle interprète une femme violée, ainsi que dans le thriller d'espionnage Agents secrets (2004) de Frédéric Schoendoerffer.Entamant une carrière internationale, elle reprend le rôle tenu à l'origine par Romy Schneider dans Suspicion (2000), le remake américain de Garde à vue, et se retrouve face à Bruce Willis dans Les Larmes du soleil (2003), un film de guerre signé Antoine Fuqua. Parallèlement, la pulpeuse Italienne déploie ses charmes dans de grosses productions françaises comme Le Pacte des loups (2001) et Astérix et Obélix : mission Cléopâtre (2002), où elle incarne la sculpturale Cléopâtre.En 2003, Monica Bellucci prête sa voix au personnage de Marina dans la version française de Sinbad - la légende des sept mers, un dessin animé de Tim Johnson et Patrick Gilmore. Aux côtés de Lambert Wilson, elle apparaît également au générique des deux volets de la saga Matrix : Matrix reloaded et Matrix revolutions. Remarquée par Mel Gibson, celui-ci lui offre le rôle de la grande pêcheresse Marie-Madeleine dans La Passion du Christ (2004).
Elle ensorcelle littéralement Les Frères Grimm (2005) et apporte sa touche glamour au film de gunfights Shoot'em-up (2007).
En France, Monica Bellucci tourne pour de grands cinéastes comme Bertrand Blier (Combien tu m'aimes ?, 2005), Alain Corneau (Le Deuxième souffle, 2007), et va jusqu'à flirter avec l'étrange en s'immisçant dans l'univers de Jean-Christophe Grangé (Le Concile de pierre, 2006) et celui de Marina De Van (Ne te retourne pas, 2009). A l'approche de la cinquantaine, la sublime comédienne poursuit sa brillante et éclectique carrière aussi bien aux Etats-Unis (L'Apprenti Sorcier avec Nicolas Cage) qu'en France. Ainsi, Philippe Garrel lui donne l'un des rôles centraux d'Un été brûlant (2011), où elle donne la réplique à Louis Garrel, puis elle rejoint le casting de la comédie familiale et chorale de Danièle Thompson Des gens qui s'embrassent (2013) pour ensuite se glisser dans la peau d'une James Bond Girl dans 007 Spectre aux côtés de l'athlétique espion Daniel Craig.
