Ancien champion de water polo, Massimo Girotti poursuit des études d'ingénieur chimiste avant de devenir acteur de théâtre et de cinéma. Il est remarqué par le metteur en scène
Luchino Visconti lors du tournage de Tosca, commencé par
Jean Renoir en 1939 et repris plus tard par
Carl Koch.
En 1941, il doit interpréter le « farouche bandit Gramigna »aux côtés de Luisa Ferida mais le projet n'aboutit pas à cause du ministre de la Culture populaire de Mussolini, Pavolini, qui en avait « assez des histoires de brigands ».
Visconti, « séduit par les yeux clairs et les brusques effarouchements » de Girotti, lui confie en 1942 le rôle du vagabond Gino dans
Les Amants diaboliques (Ossessione), adaptation naturaliste du roman de James Cain, Le Facteur sonne toujours deux fois, avec
Clara Calamai (qui remplace Anna Magnani, initialement prévue). Selon Calamai, « Massimo fut peu à peu transformé; peu à peu nous le vîmes dompté ». Girotti lui-même témoigne : « le dernier jour du tournage, je tombai à terre, évanoui, à bout de tension nerveuse et de fatigue ».
Girotti, a plusieurs fois témoigné, parfois de façon anonyme, de la dureté de son mentor, particulièrement au théâtre où il interprète le rôle d'Ajax dans une mise en scène monumentale de Troïlus et Cressida de Shakespeare en 1949 (avec
Paolo Stoppa, Rina Morelli,
Vittorio Gassman et
Marcello Mastroianni entre autres),
Mademoiselle Julie de Strindberg , en 1957 aux côtés de Lilla Brignone, et Trofimov dans La Cerisaie de Tchekhov en 1965.
Au cours de ses soixante-quatre ans de carrière (l'une des plus longues du cinéma italien), il jouera dans 117 films avec les plus grands metteurs en scène italiens, des plus populaires aux plus élitistes :
Roberto Rossellini,
Vittorio De Sica,
Pietro Germi,
Giuseppe De Santis, Luigi Zampa,
Michelangelo Antonioni,
Luigi Comencini,
Carlo Lizzani,
Alberto Lattuada, Riccardo Freda,
Pier Paolo Pasolini,
Mario Bava,
Bernardo Bertolucci,
Giuliano Montaldo,
Ettore Scola, Liliana Cavani,
Roberto Benigni...
Parmi les cinéastes étrangers de nombreux français (Yves Allégret, Jean Grémillon,
Claude Autant-Lara,
Jean Delannoy, Josée Dayan,
Robert Enrico), mais aussi Mikhail Kalatozov, André De Toth,
Joseph Losey ou Walerian Borowczyk.
Grand séducteur à l'écran, il a été le partenaire des plus séduisantes actrices, parmi lesquelles
Alida Valli,
Isa Miranda,
Anna Magnani,
Lucia Bosé,
Silvana Mangano,
Patricia Neal, Belinda Lee,
Florinda Bolkan,
Micheline Presle, Françoise Arnoul.
Ses films les plus célèbres sont, outre
Les Amants diaboliques, Chronique d'un amour (1950),
Onze heures sonnaient, L'Amour d'une femme, Théorème (1969), Le Dernier Tango à Paris (où il est le rival chanceux de
Marlon Brando), M. Klein (1976) ou encore Passion d'amour (1983). Il incarne en outre
Spartacus en 1953 et Casanova vieillissant dans Cagliostro en 1974.
Dix jours après le tournage de son ultime film, La Fenêtre d'en face, il meurt d'une crise cardiaque le 5 janvier 2003, à l'âge de 84 ans. Il repose dans le cimetière de Campo Verano à Rome.