Nakon prvog uspjeha u filmu “Tramvaj zvani želja”  1947. godine, Mastrojani je dobio priliku da više od 300 ostvarenja, a čak 12 kao partner sa čuvenom Sofijom Loren.

Preminuo je 19. decembra 1996. godine, a iza sebe je ostavio dvije ćerke Kjaru Mastrojani i Barbaru Mastrojani.

Njegov ljubavni život intrigirao je javnost, a prvi put se oženio 1950. godine glumicom Florom Karabeli sa kojom je dobio nasljednicu Barbaru, ali su se nakon desetak godina rastali, mada nikada nisu podnijeli papire za razvod.

Ubrzo je upoznao koleginicu Fej Danavej sa kojom je bio u romansi dvije godine, ali nije želio da se zvanično razvezde od Flore, te ga je to koštalo još jednog kraha ljubavi.

Sa glumicom Katrin Denev bio je u dugogodišnjoj vezi, a ovaj par dobio je ćerku Kjaru koja je poznata francuska pjevačica.

Kjara nije krila da joj je teško padalo što nije odrastala uz oba roditelja, jer su se Katrin i Marčelo rastali, a glumac je imao neobičan stav o ljubavi koji se i danas često citira.

Nijednoj ženi nisam ništa obećavao, pa me nijedna nije mogla optužiti da sam im ulivao lažne nade. Od supruge dobijam ljubav i razumijevanje, a od ljubavnice strast. Žene su kao kišobran, nekoliko pravih poteza i sve je napeto — izjavio je je sedamdesetih godina.

Posljednje dvije decenije proveo je sa rediteljkom Anom Marijom Tatu. Te 1996. godine preminuo je od posljedica raka pankreasa, a obje ćerke i Katrin Denev bile su uz njena do posljednjeg trenutka.