Витторио Гассман родился в пригороде Генуи. Его отец — немецкий инженер Генрих Гассманн (став актёром, одно «н» Витторио из своей фамилии убрал), мать — пизанка Луиза Амброн. В детстве перебрался в Рим, где окончил классический лицей, а затем Национальную Академию драматического искусства.
Дебютировал на театральной сцене в Милане (1943), в кино — в 1945 (фильм «Встреча с Лаурой» К. А. Феличе; плёнка утрачена). Славу на театральных подмостках принесли Гассману роли в постановках Лукино Висконти «Гамлет» и «Табачная дорога» (по пьесе Джека Киркланда). В 1948 году Гассман сыграл роль Джакомо Казановы в мелодраме Р. Фреда «Таинственный кавалер». Однако по-настоящему знаменитым его сделала роль уголовника Вальтера в неореалистическом фильме Джузеппе Де Сантиса «Горький рис» (1949).
В 1952 возглавил созданный им «Театр итальянского искусства».
В 1956 сыграл в спектакле «Отелло» и впервые выступил как кинорежиссёр, перенеся на экран свой спектакль «Кин, или Гений и распутство» (по пьесе Дюма-отца о великом английском актере Э. Кине), в соавторстве с начинающем кинорежиссером Ф. Рози. В 1958 сыграл небольшую роль в экранизации повести Пушкина «Капитанская дочка», осуществлённой Альберто Латтуада под названием «Буря».
Если в начале своей карьеры Гассман считался именно мастером драматических ролей, то начиная с 1958, благодаря встрече с Марио Моничелли, Гассман выдвинулся в первый ряд актёров «комедии по-итальянски». Приверженцы этого жанра отказались от чистой буффонады и обратились к исследованию комических аспектов повседневности в их неразрывной связи с драматическим началом (под влиянием установок неореализма). Моничелли снял Гассмана в фильмах «Злоумышленники неизвестны» (считается, что именно эта картина положила начало «комедии по-итальянски»), «Большая война», «Гостиничный номер», в дилогии о Бранкалеоне, а в фильме «Россини! Россини!» запечатлел Гассмана в роли Людвига ван Бетховена; Витторио Де Сика — в фильме «Страшный суд»; Марко Феррери — в фильме «Аудиенция».
Талант Гассмана обратил на себя внимание и за пределами Италии, причём предложения поступали со стороны очень известных режиссёров. Он снялся в двух картинах американца Роберта Олтмена; в весьма вольной экранизации «Бури» Шекспира, осуществлённой ещё одним американским режиссёром — Полом Мазурски, а также у такого крупного мастера французского кино, как Ален Рене. Наконец, поляк Кшиштоф Занусси пригласил Гассмана на главную роль в одном из наиболее углублённо-философских своих фильмов — «Парадигма».
Чаще всего Гассман снимался у известного итальянского комедиографа Дино Ризи. Их сотрудничество началось в 1960 году; в общей сложности Гассман снялся в пятнадцати фильмах режиссёра. Среди них наибольшего внимания заслуживают два: состоящая из отдельных новелл картина «Чудовища», где Гассману довелось сыграть двенадцать ролей, в том числе одну женскую, и трагикомедия «Запах женщины». За роль слепого офицера Фаусто в «Запахе женщины» Гассман был удостоен приза как лучший исполнитель мужской роли на МКФ в Канне (1975). В последний раз Гассман снялся у Ризи в фильме «Просьба не беспокоиться» (1990), виртуозно воссоздав образ отринутого своей семьей, не вполне адекватного психически старика, единственным другом которого является его внучка.
Для отечественного зрителя Витторио Гассман ассоциируется прежде всего с фильмом Дино Ризи «Именем итальянского народа» (в советском прокате — «Полмиллиарда за алиби»), с премированным на IX МКФ в Москве лирическим кинороманом Этторе Скола «Мы так любили друг друга» и с лучшим фильмом Валерио Дзурлини, кафкианской притчей «Татарская пустыня». Фильм бельгийского режиссёра Андре Дельво «Бенвенута», хотя и был в советском прокате, но не слишком запомнился нашим зрителям. Не очень известна у нас и экранизация «Войны и мира» Толстого, выполненная Кингом Видором, в которой Гассман сыграл Анатоля Курагина.