Narodil se jako nejstarší ze tří dětí, otec vyrostl na statku blízko Rimini, kde Federico trávil prázdniny. Po maturitě roku 1938 (kterou musel opakovat) odešel do Florencie, kde se živil kreslením vtipů a karikatur. Zde také psal Příběhy Gordona Flashe pro časopis 420. Roku 1939 odešel do Říma, kde se zapsal na univerzitu, pracoval jako karikaturista a ilustrátor a příležitostně psal do několika novin. Psal také texty a skeče pro rozhlas a pravidelné sloupky pro humoristický časopis Marc´Aurelio, kde se seznámil s řadou svých pozdějších spolupracovníků. V rozhlase poznal také svoji pozdější ženu Giuliettu Masinu, kterou si v roce 1943 vzal.[1] Po osvobození Říma americkou armádou (4. června 1944) si s několika přáteli otevřel „Funny Face Shop“, kde kreslil pro americké vojáky karikatury.

Po druhé světové válce se věnoval téměř výhradně filmu. Seznámil se s režisérem Robertem Rossellinim, s nímž psal scénář pro film Řím – otevřené město (1946), za nějž byl poprvé nominován na Oscara. Roku 1950, už jako autor 19 scénářů, natočil společně s Albertem Lattuadou svůj první film, Světla variété. Samostatný režijní debut přišel v roce 1952 s filmem Bílý šejk s Albertem Sordim v hlavní roli.[2] O rok později natočil Darmošlapi, v niž hrála i Lída Baarová.[3] Ale úspěch měl až roku 1954 s filmem Silnice (La Strada), ve kterém hrála Giulietta Masina hlavní ženskou roli. Přes odpor Luchina Viscontiho a jeho přívrženců získal řadu ocenění v Itálii i v zahraničí, například Stříbrného lva za nejlepší režii na festivalu v Benátkách. Po neúspěchu filmu Il bidone natočil s pomocí Piera Paola Pasoliniho snímek Cabiriiny noci, který vzbudil ostrou kritiku, ale měl velký úspěch.

Felliniho nejslavnější film je Sladký život (La dolce vita) z roku 1960, ve kterém vytvořili hlavní role Marcello Mastroianni, Anouk Aimée a Anita Ekbergová. Tento film bývá označován jako Felliniho vrcholné dílo, jedná se o kritiku života římské společenské smetánky. Film byl po premiéře prostříhán, což napomohlo zájmu o tento film. Sladký život i přes kritiku církve a dalších významných skupin obyvatel byl roku 1960 na MFF v Cannes oceněn Zlatou palmou za film.