Während sie einige Semester Jura an der Universität Perugia studierte, verdiente Bellucci ihren Unterhalt als Fotomodell. 1988 ging sie nach Mailand, wurde dort von der Agentur Elite unter Vertrag genommen und warb unter anderem für Dolce & Gabbana.
Im Alter von 50 Jahren spielte sie die Rolle der Lucia Sciarra in James Bond 007: Spectre (2015) und ist somit die bislang älteste Darstellerin eines Bondgirls. Ihr Schaffen als Schauspielerin für Film und Fernsehen umfasst mehr als 75 Produktionen.
Ihre erste Ehe führte sie mit dem italienischen Fotografen Claudio Basso von 1990 bis 1994.[2] Mit Vincent Cassel, ihrem Filmpartner in Lügen der Liebe, Dobermann, Pakt der Wölfe, Irreversibel und Agents Secrets – Im Fadenkreuz des Todes, war sie von 1999 bis zur Trennung 2013 verheiratet.[3] Sie haben zwei gemeinsame Töchter, Deva und Leonie, die am 12. September 2004 und am 21. Mai 2010 in Rom zur Welt kamen. Im März 2010 posierte Bellucci – im sechsten Monat schwanger – auf dem Cover der italienischen Ausgabe der Zeitschrift Vanity Fair.[4]
Nachdem sie mit Cassel vornehmlich in Rio de Janeiro gelebt hatte, ließ sich Bellucci mit ihren Töchtern in Lissabon nieder, wo sie Ende 2016 nahe dem Castelo de São Jorge ein Haus erwarb.[5] Seit 2023 ist sie mit dem US-amerikanischen Filmemacher Tim Burton liiert, der sie in seinem Spielfilm Beetlejuice Beetlejuice (2024) einsetzte.[6]