Giulia Anna Masina a San Giorgio di Piano településen született Olaszországban. Szülei Gaetano Masina hegedűművész és tanár, valamint Anna Flavia Pasqualini színtén tanár. Élete nagy részét Rómában töltötte nagynénjénél. Rajta kívül még 3 testvére volt. Az Ursuline-i iskolába járt ahol hang, zongora és tánc órákat vett, de karrierjének dacára nem tanult színészetet, bár színpadon fellépet olykor. A Sapienza római egyetemen végzett irodalomból.
1941-ben egyetemi évei alatt kezdett el színészetet tanulni. Rengeteg darabban lépett fel, ahol táncolni és/vagy énekelni kellett, mindezt az egyetem saját színházában. 1942-ben egy társulathoz csatlakozott, ahol is több darabban lépett fel. Fellini egy fotó alapján kérte fel, hogy rádió játékaiban - amiket a rendező maga írt - szerepeljen.
1943-re Masina mint rádió színész hatalmas ismertségnek örvendett. Első szerepe a Terziglio rádiójáték volt, amit Fellini írt. "Meglepően" egy szerelmes pár feleség szerepét kapta, és nem sokkal később Fellini és Masina összeházasodtak. Habár egyre távolodott az élete a színháztól, Masina egy rövid időre az egyetemi színházba visszatért, hogy Mastroianni mellett szerepeljen. Utolsó fellépése 1951-ben volt.
Férjével együtt dolgozva, Masina a filmbe csöppent át. Filmjeinek felét - többnyire a sikereseket - férje rendezte vagy írta a forgatókönyvet. Bár korábban szerepelt Passolini Paisà (1946) filmjében - igaz itt rövid szerepe miatt nem kapott kreditet - első fontosabb szerepe 1948-ból a Without Pity volt.
1954-ben jött a az Országúton Anthonny Quinn oldalán. A Cabiriai éjszakai 1957-es filmbeli alakításáért Cannes Arany Pálmát nyert. 1960-ban azonban utolérte a végzet, karrierje romokba került a hatalmas bukást megért The High Life című film, kritikailag is sikertelen volt. Ezután inkább magánéletére koncentrált. 5 évvel később forgatott újra férjével a Júlia és a szellemek filmben, ami nemzetközileg is nagy kritikai siker lett, több díjat elnyerve.
1969-ben forgatta első Angol nyelvű filmjét, a The Madwoman of Chaillot Katherin Hepburn oldalán. a következő két évtizedben többnyire televízióban tűnt fel. Csak 1985-ben forgatott újra férjével a Ginger és Fred filmet, ezután minden más szerepet visszautasított, hogy férje hanyatló egészsége miatt mellette maradjon.
