Trabalha como supervisor de diversos filmes, como L''Invasore (1943), de Nino Giannini, antes de fazer Roma, Cidade Aberta (1945), um clássico do neo-realismo italiano e que apresenta as principais características do movimento: linguagem direta, produção simples, temática contestadora, atores não profissionais (por exemplo, Anna Magnani, então mulher do diretor).
Realizado durante a II Guerra Mundial (1939-1945), o filme situa de forma dramática a luta da resistência italiana no período da ocupação nazista. Em 1946 faz Paisà, com a colaboração de Federico Fellini. Em sua filmografia ainda merecem destaque Alemanha, Ano Zero (1947) e Stromboli (1949), estrelado pela diva de Hollywood Ingrid Bergman, com quem o diretor tem um romance tumultuado que termina em gravidez, apesar de a atriz ser casada.
Seus filmes De Crápula a Herói (1959) e Viva I´Italia (1960) são mal recebidos pela crítica e pelo público. Em 1964 abandona o cinema comercial e ingressa na televisão educativa, para a qual realiza seus últimos trabalhos. Morre em Roma.