Als Tochter der Schauspieler Vittorio Mezzogiorno und Cecilia Saachi wurde Mezzogiorno mit dem Showbusiness groß. Ihre Schauspielausbildung erhielt sie am Centre International de Créations Théatrales bei Peter Brook, einem der wichtigsten zeitgenössischen Theaterregisseure. Am Anfang ihrer Filmkarriere stand 1997 der preisgekrönte Spielfilm Il viaggio della sposa(The Bride's Journey). Ihr erstes internationales Engagement erhielt Mezzogiorno 2000 für eine Nebenrolle in Les Miserables mit Gérard Depardieu und John Malkovich. Im darauffolgenden Jahr war sie im preisgekrönten Film L'ultimo bacio (Ein letzter Kuss) zu sehen, für den sie für den David di Donatello, den Preis der italienischen Filmakademie, nominiert wurde. In der Literaturverfilmung Die Liebe in den Zeiten der Cholera von 2007 spielte sie neben Javier Bardem die Hauptrolle.
2003 wurde Mezzogiorno für Das Fenster gegenüber mit dem David di Donatello für die beste Hauptrolle, dem Preis der italienischen Filmkritik für die beste Schauspielerin und dem Preis für die beste weibliche Hauptrolle auf dem International Film Festival in Karlsbad (Tschechien) ausgezeichnet. Mit der Coppa Volpi für die beste Darstellerin erhielt sie 2005 für die Darstellung der Sabina in Cristina Comencinis Film La bestia nel cuore bei den Filmfestspielen von Venedig einen weiteren bedeutenden internationalen Preis.
Filmografie
1997: Il viaggio della sposa
1998: Del perduto amore
1998: Ich möchte so sein wie Du (Più leggero non basta, Fernsehfilm)