Inițial se dedică unei cariere în avocatură, apoi, în timp ce frecventează cursurile Universității din Perugia lucrează ca model.
În anul 1988, se mută la Milano și se alătură agenției de fotomodele Elite Model, cu care cunoaște un suucces răsunător. În aceeași perioadă ia lecții de actorie, apoi debutează pe micul ecran în anul 1990 în rolurile Elda din „Vita coi figli” și Costanza din pelicula „Briganti – Amore e libertà”.
În anul 1990 se căsătorește cu fotograful Claudio Carlos Basso, însă în anul 1994 cei doi divorțează. În anul 1992 debutează pe marile ecrane, fiind una din miresele lui Dracula în pelicula omonimă, creație a lui Bram Stocker.
Pentru rolul Lisa din thrillerul franțuzesc „L’appartement” (1996), este nominalizată pentru cea mai bună actriță în rol secundar, în același an, la Premiile César, echivalentul franțuzesc al Oscar-urilor. În anul 1999 se căsătorește cu actorul francez Vincent Cassel, care era cu doi ani mai tânăr și cu care are două fete - Deva, născută în 12 septembrie 2004 și Léonie, în 21 mai 2010.
A jucat apoi în numeroase filme care i-au consolidat popularitatea, atât în Europa cât și la Hollywood, „Malèna” (2000), Irréversible (2002), „Tears of the Sun” (2003), „The Matrix Reloaded” (2003), „The Passion of the Christ” (2004) - în rolul Mariei Magdalena, „Le Deuxième souffle” (2007) - rolul Manouche, „Don't Look Back” (2009), și The Sorcerer's Apprentice (2010) - alături de Nicoals Cage.
În anul 2004, însărcinată fiind, Monica Bellucci a pozat nud pentru varianta italiană a revistei Vanity Fair în semn de protest față de legislația restrictivă a italienilor în privința tratamentelor de fertilitate, care le sunt interzise femeilor necăsătorite, dar și celor care au depășit vârsta fertilității.
În perioada 2006-2012 devine imaginea Casei Dior, apoi semnează contracte de imagine cu Grupul D'management din Milano și cu Storm Model Management din Londra.
În anul 2007 i s-a încredințat rolul politicianului indian Sonia Gandhi în filmul biografic „Sonia”, însă lansarea peliculei s-a amânat de mai multe ori.
În 2011 joacă în „Un été brûlant/A Burning Hot Summer”, alături de Louis Garrel, film regizat de francezul Philippe Garre – povestea unei iubiri între un pictor și o actriță - în care Monica Bellucci apare nud într-o scenă, la vârsta de 47 de ani.
În anul 2012 joacă în rolul Angèle din „Irreversible”, în care interpretează alături de soțul ei Vincent Cassel.
Tot în anul 2012 a devenit imaginea Dolce & Gabbana.
În august 2013, Monica Bellucci și Vincent Cassel și-au anunțat divorțul de comun acord, cauza separărării fiind după cum afirmă criticii de specialitate, faptul că el devenise prea gelos pe popularitatea ei care îi aducea foarte mulți bani, în timp ce succesul lui se lăsa așteptat. În filmul documentar "Marea Întrebare", vorbind despre filmul „Patimile lui Hristos”, Bellucci a declarat: „Sunt o agnostică, deși respect și mă intereseaza toate religiile lumii. Dacă este însă ceva în care să cred, atunci acesta este energia misterioasă care face ca oceanele să spumege, Luna să se miște și care unește natura și ființele vii”.
Empire Magazine a ales-o pe Monica Bellucci printre cele mai sexy 25 de femei din cinema, pentru rolul "Persephone" din seria Matrix, iar în anul 2004 AskMen a desemnat-o printre cele mai frumoase 100 de femei din lume.
Pentru a arăta impecabil la fiecare ocazie, Monica Bellucci folosește o dietă bazată pe preparatele din bucătăria italiană, dar meniul ei este echilibrat și sănătos. După cum a declarat, ea preferă mai ales legumele, peștele și carnea slabă - fierte sau la grătar și spaghetele. Ca fructe ea le consumă mai ales pe cele de pădure - bogate în minerale, vitamine și antioxidanți, apoi portocale și struguri. Dintre toate uleiurile vegetale ea alege uleiul de măline.