Giuliano Montaldo débute sa carrière en tant qu'acteur. Étudiant, il est recruté par le réalisateur
Carlo Lizzani pour jouer dans le film Achtung! Banditi! qui sort en 1950. L'expérience le motive pour apprendre le métier de cinéaste. Il devient assistant réalisateur pour Carlo Lizzani et
Gillo Pontecorvo notamment sur le film La Bataille d'Alger puis réalisateur en 1961, avec son premier film Tiro al piccione. Cette première oeuvre traite de la résistance, elle est sélectionnée à la Mostra de Venise. Il participera aussi au film à sketchs Extraconiugale pour lequel il réalise La moglie svedese en 1964. S'ensuit un documentaire sur sa ville natale : Genova.
En 1965, Giuliano Montaldo écrit et réalise Una bella grinta, vision cynique de la croissance économique italienne. Le film obtient le prix spécial du jury au Festival de Berlin. Il accède à la direction d'une production internationale avec Le Carnaval des truands (Ad ogni costo, 1967) qui réunit notamment
Klaus Kinski,
Edward G. Robinson, et
Janet Leigh.
Il dirigera aussi les acteurs américains
John Cassavetes ainsi que
Peter Falk dans son film suivant,
Les Intouchables (Gli Intoccabili, 1968). En 1969, À l'aube du cinquième jour dont Ennio Morricone compose la bande originale n'obtient pas un succès en salle mais vit une seconde fois à travers le générique d'Italiques (ORTF).
En 1971, le réalisateur porte à l'écran la destinée tragique de Nicola Sacco et Bartolomeo Vanzetti, deux anarchistes accusés d'avoir organisé un braquage, dans
Sacco et Vanzetti (Sacco e Vanzetti). Le film est sélectionné au Festival de Cannes où il obtient un prix d'interprétation masculine.
En 1982, Giuliano Montaldo réalise une importante fresque sur Marco Polo pour la télévision, déclinée en feuilleton.
Ennio Morricone est longtemps son compositeur attitré: ils collaboreront sur une douzaine d'oeuvres, depuis Ad Ogni Costo.