Занимался филологией, философией, кончил юридический факультет Римского университета. С 1940 учился на актёрском и режиссёрском отделениях Римского экспериментального киноцентра. Был кинокритиком, оппозиционным фашистскому режиму. Один из авторов сценария и помощник режиссера Лукино Висконти на съемках «Одержимости» и «Желания», начатого Роберто Росселлини.
В 1943—45 годах сражался в рядах итальянского Сопротивления, был членом коммунистической партии Италии. Принимал участие в съемках антифашистского документального фильма «Дни славы». С первых же своих фильмов выказал склонность к злободневной социальной тематике. Картина «Горький рис» открыла всему миру звезду Сильваны Мангано. Глубоким художественным анализом и активной гражданской позицией отличаются его фильмы, в особенности, «Нет мира под оливами», «Рим, 11 часов», который, к тому же, закрыл хронологические рамки неореализма. Большой зрительский успех снискала его мелодрама «Дайте мужа Анне Дзаккео».
Последующие два десятилетия творческой деятельности характерны большими или меньшими уступками коммерческого кино. В 1964 году осуществил постановку советско-итальянского фильма «Они шли на Восток». После 1972 года фильмы не снимал, оставаясь репрезентативной фигурой. Он активно участвует в общественной жизни Италии, выступает в защиту прогрессивного киноискусства.
Фильмы Де Сантиса поднимают проблемы жизни и борьбы итальянских трудящихся, они остросоциальны, их отличает романтическая приподнятость, страстный темперамент, человечность.