Filmes pályafutását gyermekkori élményei határozták meg: hétévesen látott bohócokat a cirkuszban, kilencéves korától saját készítésű bábokkal és jelmezekkel saját maga által írt darabokat adott elő. 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 rajzolt, rádiózott és bedolgozta magát a filmgyárba. Egy rádiósorozata révén ismerkedett meg Giulietta Masina színésznővel, akit feleségül vett. 1944-ben ő írta Roberto Rossellini 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, először 1952-ben A fehér sejk forgatásán dolgoztak együtt. Első díját a Bikaborjakkal nyerte a Velencei Filmfesztiválon, az átütő sikert az 1954-es Országúton hozta meg számára. A vándorkomédiások között játszódó keserédes dráma 1956-ban megkapta az először abban az évben kiosztott, a legjobb külföldi filmnek járó Oscar-díjat. A kitüntetést Fellini még további három alkalommal – a jövőben bizakodó, egyszerű római utcalány sorsát bemutató Cabiria éjszakái (1957), az alkotói válságba került rendezőről, azaz önmagáról szóló 8 és 1/2 (1963), majd a gyermekkorát felidéző Amarcord (Emlékezem) (1974) című alkotásával – nyerte el, s összesen 12 alkalommal jelölték rendezői vagy forgatókönyvírói Oscar-díjra. 

Legismertebb alkotása Az édes élet (1960), amelyben 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 császár 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.

A többi közt megkapta a brit akadémia (BAFTA) díját, a Golden Globe-díjat, a francia Becsületrendet, a japán Praemium Imperiale díjat, az Európai Filmakadémia életműdíját. 1993-ban az amerikai filmakadémia is életmű-Oscarral tüntette ki, az aranyszobrot Mastroianni és Sophia Loren adta át. Loren nagyon szeretett volna együtt dolgozni a rendezővel, ez azonban nem adatott meg neki, de 2009-ben a 8 és 1/2 nyomán született Kilenc című musicalben ő alakította a rendező édesanyját. 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 jelképekkel 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 az ottani repülőteret is róla nevezték el. Hazájában 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, a film ihlette Neil Simon Sweet Charity című musicaljét. 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. Két éve nyílt meg újra Riminiben az a felújított mozi, ahol a rendező még apja térdén ülve első filmjét látta – ahogyan azt a Róma és az Amarcord című filmjeiben elmesélte. Fellini nevét világszerte számtalan intézmény őrzi, Budapesten a többi közt moziterem és a Római Kultúrbisztró, születése centenáriumáról világszerte megemlékeznek.