Lassée par sa carrière de mannequin, elle commence à prendre des cours de théâtre en espérant s'orienter vers le cinéma. Elle tourne dans un téléfilm de Dino Risi, Vita coi figli (1990), avant d'obtenir son premier rôle important dans La Riffa (1991) de Francesco Laudadio. Peu de temps après, elle obtient un petit rôle dans Dracula de Francis Ford Coppola (1992).

Elle enchaîne quelques autres films en Italie, avant d'arriver en France en 1995, où elle se fait connaître avec L'Appartement (1996) de Gilles Mimouni pour lequel elle sera nommée aux Césars dans la catégorie meilleur espoir féminin. C'est sur le tournage de cette romance qu'elle fait la rencontre de Vincent Cassel, son futur mari, avec lequel elle a un enfant le 12 septembre 2004, une fille prénommée Deva. Le couple se donnera notamment la réplique dans Dobermann (1997) de Jan Kounen et Irréversible (2002) de Gaspar Noé, où elle interprète une femme violée, ainsi que dans le thriller d'espionnage Agents secrets (2004) de Frédéric Schoendoerffer. Elle apparaît également dans de grosses productions françaises comme Le Pacte des loups (2001) et Astérix et Obélix : Mission Cléopâtre (2002), où elle incarne Cléopâtre.

Parallèlement, elle entame une carrière internationale, reprenant le rôle tenu à l'origine par Romy Schneider dans Suspicion (2000), le remake américain de Garde à vue, et se retrouvant face à Bruce Willis dans Les Larmes du soleil (2003), un film de guerre signé Antoine Fuqua. Aux côtés de Lambert Wilson, elle apparaît aussi au générique des deux derniers volets de la saga Matrix : Matrix reloaded et Matrix revolutions. Imaginée par Mel Gibson dans le rôle de Marie-Madeleine pour La Passion du Christ (2004), elle joue dans Les Frères Grimm du réalisateur Terry Gilliam. Elle figure dans Le Concile de Pierre (2006), du réalisateur français Guillaume Nicloux.

En 2006, Monica Bellucci a figuré parmi les membres du jury du 59e Festival de Cannes, présidé par le réalisateur hongkongais Wong Kar-wai. Son époux, Vincent Cassel, avait été choisi pour animer les soirées d’ouverture et de clôture du célèbre festival qui se déroulait du 17 au 28 mai. Un rôle que Monica Bellucci avait déjà tenu en 2003.

En 2007, Monica Bellucci revient dans deux autres films : le film d'action Shoot 'Em Up aux côtés de Clive Owen et Paul Giamatti et un policier français appelé Le Deuxième Souffle avec Éric Cantona et Michel Blanc, où elle a dû se teindre en blonde pour interpréter Manouche. En 2008, Monica Bellucci apparaît pour la troisième fois au Festival de Cannes afin d'y présenter son nouveau film Une histoire italienne, qui a reçu le prix François-Chalais.

Le titre de plus belle femme du monde lui a été attribué en 2009. En novembre de cette année, Bakchich Hebdo révèle que l'actrice avait participé en avril à une fête organisée par la fille du dictateur ouzbek Islam Karimov, contre 190 000 euros. Le 21 mai 2010, à 45 ans, elle donne naissance, à Rome, à son deuxième enfant avec Vincent Cassel, une fille prénommée Léonie qui rejoint Deva.