Nació en Alejandría, Egipto. Tras una infancia desvalida en la que fue criada y educada por sus abuelos, frecuentó la Academia de Arte Dramático de Roma. En el principio de su carrera se dedicó al teatro de revista y a la canción popular en salas de fiesta. En 1934 hizo su primera aparición en la pantalla en La cieca di Sorrento , cinta que dejó definitivamente fijado su nombre entre los cineastas. Trabajó, en 1936, en Cavalleria , una realización de Alessandrini, su esposo.
Tras el silencio cinematográfico provocado por la Segunda Guerra Mundial, en 1945 intervino -en papel protagónico- en Roma, ciudad abierta , filme de Roberto Rossellini sobre la ocupación alemana de Italia, que dio a conocer en todo el mundo la capacidad artísticas de los italianos, quienes lograron realizar una verdadera joya cinematográfica dentro de restricciones económicas innumerables.
A partir de entonces el vivo temperamento de la Magnani, su gracia popular y la entrega dramática a los personajes que le confiaban, le otorgaron renombre internacional. Bellísima , de 1953, acabó de confirmar las excelencias de su talento nada expuesto a la banalidad. Triunfó ampliamente en L'onorevole Angelina, Il miracolo, Amore, Infierno en la ciudad y Vulcano .
Aunque con ciertas reticencias, viajó a Estados Unidos y en Hollywood rodó, en 1955 y dirigida por Daniel Mann, La rosa tatuada , película basada en un drama de Arthur Miller. Por esta interpretación obtuvo el Oscar de la Academia a la mejor actriz. Otras de las cintas que realizó en Estados Unidos son Viento salvaje y, junto a Marlon Brando, El hombre en la piel de víbora . Con respecto a estas últimas, parte de la crítica consideró que "se notaba el desarraigo de sus personajes y la falta del ambiente cálido y popular de su películas italianas".
En 1957, bajo la dirección de Claude-Autant Lara, hizo en Francia Soy millonaria . Ese año decidió volver al teatro, aunque continuó trabajando en el cine. Entre las realizaciones más notables de los años siguientes destaca Mamma Roma de Pier-Paolo Passolini, sin duda una de las últimas grandes interpretaciones de esta actriz, que en 1968 trabajó, dirigida por Stanley Kramer, en El secreto de Santa Vittoria . Falleció en Roma. En el teatro fue notable su versión de La lupa , bajo la dirección de Zeffirelli.
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