1920. január 20-án született Riminiben. Filmes pályafutását gyermekkori élményei határozták meg: hétévesen látott bohócokat a cirkuszban, kilencéves korától bábozott, az előadásokhoz ő készítette a bábokat, jelmezeket, valamennyi szerepet ő írta és játszotta. Rendszeresen járt moziba, eszményképe az amerikai képregényhős, Flash Gordon volt. Apja kereskedőnek, ügyvédnek vagy mérnöknek, édesanyja papnak vagy jogásznak szánta, ő viszont festő szeretett volna lenni. Érettségi után újságírónak állt, éttermekben és kávéházakban portrékat és képregényeket rajzolt, rádiózott és bedolgozta magát a filmgyárba. Egy rádiósorozata révén ismerkedett meg Giulietta Masina színésznővel, akit feleségül vett. 1944-ben ő írta Roberto Rossellini filmrendező Róma nyílt város című alkotásának forgatókönyvét, később is több, a neorealizmus mintájának számító filmben (Paisá, A csoda) segítette a rendezőt, aki egy kis Fiat autóval fejezte ki köszönetét. Fellini filmgyártó céget alapított, majd a rendezéssel is megpróbálkozott. A kezdetektől alkotótársa volt Nino Rota zeneszerző, akivel először 1952-ben A fehér sejk forgatásán dolgozott együtt. Első díját a Bikaborjakkal (1953) nyerte a Velencei Filmfesztiválon, az átütő sikert az Országúton hozta meg számára a következő évben. A vándorkomédiások között játszódó keserédes dráma elsőként kapta meg az újonnan alapított, a legjobb külföldi filmnek járó Oscar-díjat. A kitüntetést még további három alkalommal - 1957-ben a jövőben bizakodó, egyszerű római utcalány sorsát bemutató Cabiria éjszakái, 1963-ban az alkotói válságba került rendezőről, azaz önmagáról szóló 8 és 1/2, 1974-ben pedig a gyermekkorát felidéző Amarcord (Emlékezem) című alkotásával – nyerte el, s összesen 12 alkalommal jelölték rendezői vagy forgatókönyvírói Oscar-díjra.

Legismertebb alkotása Az édes élet (1960), amely a cannes-i filmfesztiválon Arany Pálma-díjat nyert. A filmben kedvenc színésze, Marcello Mastroianni egy életét eltékozló újságírót alakít, érdekesség, hogy az egyik mellékszereplő nevéből ered a lesifotósokra alkalmazott "paparazzo" kifejezés. Első színes filmje a Júlia és a szellemek volt 1965-ben, négy évvel később a Néró korában élt Titus Petronius Arbiter műve alapján forgatta a Fellini-Satyricont, majd 1970-ben egyik legösszetettebb alkotását, az önéletrajzi utalásokkal teli Bohócokat. Későbbi filmjei, a Casanova, A nők városa, az És a hajó megy, a Ginger és Fred egyre több bírálatot kaptak. Utóbbi műben hangzott el kedvenc mondata: „Az égvilágon minden csoda. Csak fel kell ismernünk.” Utolsó filmje, A Hold hangja (1990) megszokott álomvilágát idézte burleszkhatásokkal. Élete végén tévéreklámokat is készített a Campari italcégnek és a Barilla tésztagyártó vállalatnak.

Fellini a többi közt megkapta a brit akadémia (BAFTA) díját, a Golden Globe-díjat, életművéért 1989-ben az Európai Filmakadémia kitüntetését, négy évvel később ugyancsak életművéért az amerikai filmakadémia Oscar-díját. Az aranyszobrot Mastroianni és Sophia Loren adta át, aki bár szeretett volna, soha nem dolgozott együtt vele, bár 2009-ben a 8 és 1/2 nyomán született Kilenc című musicalben a rendező édesanyját alakította. Fellini nem sokkal később agyvérzést kapott, bal oldala megbénult. Betegségéről és halálközeli élményéről tervezett filmjét már nem tudta leforgatni: egy szívinfarktus után kómába esett, és 1993. október 31-én meghalt. Temetése napján a gyász jeleként az összes olaszországi mozi fél órával később kezdte előadásait. A rendező pénzügyi téren antitalentumnak bizonyult, egyedüli fényűzése a taxizás és az evés volt. Művészetében az álom és a valóság, az önéletrajzi elemek és a képzelet keverednek egy szimbólumokkal teli világban. Szatirikus érzéke, filozófiai hajlama és a társadalmi problémák iránti érzékenysége révén azt láttatja, amit a hétköznapok eltakarnak: az embert, a lélek mélyén rejtőző titkokat, a be nem váltott álmokat és vágyakat, a modern világ emberének magányát.

Filmjeit gazdag képi világ, színpompás, freskószerű ábrázolás, időnként a tér és az idő megbontása jellemzi. Tizenöt éves korától szinte állandóan rajzolt, a forgatási szünetekben megálmodott alakjait, grafikáit, jelmezterveit gyakran munkatársai mentették meg a szemetesből. Az álmok könyve című naplóiban éjszakai fantáziáit „írta és rajzolta ki” magából harminc éven keresztül. Halála után nevével filmes díjat alapítottak, szülővárosában, Riminiben múzeuma nyílt, és a repülőteret is róla nevezték el. Hazájában tíz éve hét és fél filmje (félfilmje az 1950-ben Lattuadával közösen készített A varieté fényei) került fel arra a százas listára, amelyet az 1942 és 1978 közötti olasz filmtermésből a nemzeti kulturális örökség részének nyilvánítottak, messze több mint bármely más olasz rendezőnek. A Cabiria éjszakáinak színpadra alkalmazott változatát Magyarországon is bemutatták, az eredeti film ihlette Neil Simon Sweet Charity című musicaljét, és a Miskolci Balett több táncelőadása is a filmlegendának állít emléket.

Ettore Scola olasz rendező 2013-ban forgatta a nagy mester előtti tisztelgésül De furcsa, hogy a nevem Federico (Che strano chiamarsi Federico) című, személyes emlékekből, töredékekből és archív filmrészletekből összeállított munkáját. Idén januárban, születése 98. évfordulóján a restaurálást követően újra megnyitották azt a híres mozit Riminiben, ahol a rendező első filmjét látta, még apja térdén ülve – ahogyan azt a Róma és az Amarcord című filmjeiben elmesélte.