Родился в семье менеджера RAI и дочери югославского представителя в Ватикане Кирилла Котника, словенца по национальности. В 15 лет вступил в молодёжную ассоциацию коммунистов, в 1976 году был избран советником мэрии Рима от Итальянской коммунистической партии. В 1987 был избран в Палату депутатов Италии. В 1988 году стал членом национального секретариата ИКП. В 1992-96 был главным редактором газеты Унита — печатного органа прекратившей существование в 1991 году Итальянской коммунистической партии, а затем Партии демократических левых сил. В 1998-2001 занимал должность руководителя партии «Левые демократы»; ушёл в отставку после избрания мэром Рима. На этом посту Вельтрони пользовался значительной поддержкой горожан. В 2007 году был избран первым председателем новой левоцентристской Демократической партии, а в феврале 2008 года ушёл в отставку с поста мэра города, чтобы сконцентрироваться на подготовке к парламентским выборам, на которых, однако, победили правоцентристы Сильвио Берлускони. На выборах в основе программы Вельтрони были активизация социальной политики и политическая реформа, призванная стабилизировать политическую жизнь Италии. В феврале 2009 года объявил об уходе с поста лидера партии.
Вельтрони является автором около двух десятков книг на различную тематику.