1922. szeptember 1-jén született Genovában német apa és olasz háziasszony második gyermekeként. Ígéretes költőként indult, otthon színházasdit játszott, tanult jogot, volt kosárlabda-válogatott, majd színi tanulmányokat folytatott. Milánóba szerződött, és Luchino Visconti rendezésében egy előadás után 55 alkalommal tapsolták vissza a vasfüggöny elé. Később önálló társulatot alapított, és 1950-től maga állította színpadra azokat a darabokat, amelyeknek főszereplője is volt.

1946-ban debütált a filmvásznon egy szerelmi románcban a brit miniszterelnök lánya, Sarah Churchill partnereként. Az ügyeletes gonosz és intrikus szerepköréből jó tíz évig képtelen volt kilépni; az érzelmes Keserű rizs, az olasz neorealizmus egyik legjobb alkotása meghozta számára az anyagi sikert és a hollywoodi szerződést, de néhány csapnivaló film után kiábrándulva hazatért.

A világ legszebb asszonya című filmben Gina Lollobrigida partnere volt, szerepelt a King Vidor-féle Háború és békében, majd filmre vették kedvenc színházi előadását, a Kean, a zseni és fenegyerek című alkotást. Az Ismerős ismeretlenekben először csillogtathatta meg komikusi tehetségét, és 1959-ben A matador című bűnügyi komédia volt első közös munkája Dino Risi rendezővel. A legendás páros legsikeresebb darabja az Előzés című vígjáték volt.

Az olasz nemzeti színház megvalósításába 1960-ban vágott bele. Együttese beutazta az országot, mindenki számára elérhető áron árulta a jegyeket, és klasszikusok mellett kortárs darabokat is színpadra állított. Miután a színház támogatás híján feloszlott, Gassman ismét filmes karrierjére koncentrált. Olyan sikeres mozikat forgatott mint az antik Rómát bemutató Scipio, akit az Afrikainak is hívtak, A nő illata, a Mennyire szerettük egymást (ez Fellini Édes életéhez hasonlóan egy nemzedék életútjának mérlegét vonta meg), az Éjfélkor indul útjára a gyönyör, valamint a Fehér telefonok című komédia.

Robert Altman rendező hívására ismét megpróbálkozott Amerika meghódításával, amelyet ezúttal sem sikerült igazán bevennie. Hazatérve 1980-ban elkészítette A terasz című filmet, amely az olasz értelmiség szomorú és melankolikus freskója. Hosszú filmszínészi pályáján alakított katonát, bírót, rendőrt, gyilkost, remetét, aranyifjút, néha nőalakban is felbukkant; utolsó filmje az 1996-os Pokoli lecke volt.

A sokoldalú művész a merész vállalkozás keretében reggel 9-től hajnal 3-ig cirkuszi kocsikban élt, és a mai "valóságshow" műsorokat megelőlegezve a nézők szeme láttára evett, aludt, borotválkozott. Firenzében színi iskolát nyitott, később tévésorozatban hozta közel a nézőkhöz Dante Isteni Színjátékát. A hazájában "olasz Laurence Olivier"-ként emlegetett színész tehetséges író is volt, Melville Moby Dickje nyomán született Ulysses és a fehér bálna című színművét bemutatták a genovai világkiállításon, emellett CD-re szavalta II. János Pál pápa verseit.

Nehéz természete miatt többször keveredett konfliktusba kollégáival, akik főleg önző természetét vetették szemére, de vádolták modorossággal is, és hogy lenézi társait. Ezt ő sem tagadta, 191 centiméter magas lévén meg volt győződve nagyságáról, szeretett központban lenni a színházban és a magánéletében is, főként a női nem körében.

Vittorio Gassman 2000. június 29-én halt meg Rómában szívroham következtében.