Après avoir abandonné des études d'art dramatique, Sergio Castellitto monte rapidement sur les planches pour s'adonner à sa passion, le théâtre. Il travaille vite avec des metteurs en scène importants comme Luigi Squarzina et Aldo Trionfo dans
Candelaio (1981), et Enzo Muzii dans une adaptation de
La Ronde d'
Arthur Schnitzler (1985). Dans les années 90 et 2000, il continuera cette carrière théâtrale et obtiendra un certain succès dans une adaptation de la pièce de Neil Simon,
Pieds nus dans le parc (1994), ainsi que par ses propres mise en scène :
Manola (1996) et
Zorro (2002), écrites par Margaret Marzzantini, son épouse. Il fait ses premières apparitions au cinéma au début des années 80 dans
Carcerato (Alfonso Brescia, 1981) et
Le Général de l'armée morte (Luciano Tovoli, 1983) aux côtés de
Marcello Mastroianni et
Michel Piccoli. Il tourne alors souvent dans des premiers films ou chez de jeunes réalisateurs. Durant cette première période, il trouve l'un de ses meilleurs rôles dans
Sembra morto... ma è solo svenuto (Felice Farina, 1986) dont il co-écrit le scénario. Mais très vite l'acteur va tourner des deux côtés des Alpes. Ainsi s'il se fait connaître du public italien grâce à des comédies telle que
Piccoli equivoci (Ricky Tognazzi, 1989) ou dans des rôles plus difficiles comme chez Marco Ferreri dans
La chair (1991),
Luc Besson et son
Grand bleu (1989) permet au public français de découvrir son visage. On le reverra ensuite, entre autres, dans la co-production franco-italienne
Alberto Express (Arthur Joffé, 1990), aux côtés d'
Isabelle Adjani dans
Toxic affair (Philomène Esposito, 1993), dans le premier film de
Valérie Lemercier,
Quadrille (1997), ou encore chez
Laetitia Masson dans
A vendre (1998) et
Jacques Rivette pour
Va savoir (2001).
Après un premier passage à la réalisation un peu timide en 1999 avec la comédie
Libero Burro, dans laquelle il joue avec
Michel Piccoli et
Chiara Mastroianni, Castellitto séduit la critique et les festivals avec son second film,
A corps perdus (2004) avec
Penélope Cruz. Un mélo un peu trop prévisible, assez vulgaire sur la forme et plutôt malade, mais qui l'emporte au final. Si la France l'appelle régulièrement sous ses latitudes, c'est toutefois chez lui que l'acteur à ses préférences et peut-être ses plus beaux rôles. Notamment chez
Ettore Scola dans
Concurrence déloyale (2001), les comédies romantiques
Juste un baiser (Gabriele Muccino, Id) et
Chère Martha (Sandra Nettelbeck, 2002) dont Hollywood tournera un remake,
Le Goût de la vie (2007), et surtout ses passages chez Marco Bellochio dans
Le Sourire de ma mère (2002) et
Le Metteur en scène de mariages (2006). Il a su aussi donner épaisseur et humanité à son rôle de commercial en voyage en Chine dans le road-movie
L'étoile imaginaire (Gianni Amelio, id), et donner sa voie au chef de gare du film d'animation de
Luc Besson Arthur et les Minimoys (Id). Attendu au casting du
Monde de Narnia : chapitre 2 - Prince Caspian (Andrew Adamson, 2008) et de la comédie
Italians (Giovanni Veronesi, 2009), Sergio Castellitto a été sélectionné comme membre du jury pour la compétition officielle du 61ème festival de Cannes en 2008 sous la présidence de
Sean Penn.