С 1940 начал работать в кино, сначала как сочинитель комических гэгов для фильмов с участием итальянского комика Макарио, затем как полноправный соавтор сценариев.

Начиная со ставшего манифестом неореализма фильма Роберто Росселлини «Рим, открытый город» (1945), Феллини начал работать непосредственно на съемках картин, в качестве ассистента режиссера. 

Поработав соавтором сценария и ассистентом режиссера еще на нескольких фильмах Росселлини и других неореалистов, а также сняв вместе с Альберто Латтуадой фильм «Огни варьете» (1950), Феллини приступил к самостоятельной режиссерской деятельности.

Первые фильмы Федерико Феллини «Белый шейх» (1952) и «Маменькины сынки» (1953) отчасти следуют неореалистической традиции, но уже в них проявляются несвойственные неореализму качества, которые в дальнейшем станут в творчестве режиссёра характерными: перенос внимания с социально-типологических качеств персонажа на индивидуальные черты его личности, замена социальной критики существующих порядков приятием этого мира как целого, и наконец, сосредоточенность на отдельных ярких жизненных деталях в ущерб линейному повествованию.

В «Белом шейхе» впервые обозначился интерес режиссёра к цирку и карнавалу как к возможности, надев маску, показать свое истинное лицо — многие последующие фильмы Феллини будут завершаться именно карнавалом, объединяющим героев.

«Дорога», снятая в 1954 году, принесла Феллини и исполнительнице главной роли Джульетте Мазине мировую известность и приз Американской киноакадемии.

В следующих двух фильмах — в «Мошенничестве» (1955) и «Ночах Кабирии» (1957) повествовательная основа разрабатывается подробно и последовательно, а социальные и материальные проблемы выходят на один из первых планов.

Изобразительно-монтажные эксперименты в фильме «8 1/2» (1963) привели Феллини к его крупнейшему открытию в киноязыке, ставшему подлинной революцией в кинематографе — к открытию возможности непосредственного монтажа «реальных» событий и элементов внутреннего мира человека (воспоминаний, сновидений, желаний). 

Основной тематической оппозицией фильмов Феллини, начиная с фильма «Сладкая жизнь», является противопоставление чувственного и духовного.

Наиболее сильно это отражено в фильме «Джульетта и духи» (1965), героиня которого тщетно пытается свести воедино свои подсознательные устремления, призраки детства, черты католического воспитания и нормы буржуазного общества.

Начиная с этой картины, Феллини все фильмы снимает в цвете. В отличие от большинства других крупнейших режиссёров, он не пользуется какой-либо определенной цветовой гаммой, и, работая со всем разнообразием существующих цветов и фактур, создает яркий полуфантастический мир, связанный не столько с окружающей нас действительностью, сколько с детским и мифологическим сознанием.

Полудокументальные «Клоуны» (1970) открывают серию картин, главным образом посвященных осмыслению детских и юношеских воспоминаний — то есть воссозданию мира детства. В двух других фильмах такого рода — «Риме» (1972) и «Амаркорде» (1973) — в силу того, что детство и молодость поколения режиссёра пришлись на эпоху зарождения и развития итальянского фашизма, также осмысливаются исторические процессы и их влияние на общество и личность.

Поздние фильмы Феллини — «Город женщин» (1980), «И корабль плывет» (1983), «Джинджер и Фред» (1985), «Интервью» (1987) и «Голос луны» (1990) — преимущественно являются реминисценциями основных мотивов творчества режиссёра. Феллини не стало 31 октября 1993 года.