1988. aastal kolis ta Euroopa ühte moekeskusse Milanosse ning liitus Elite Model Managementiga. Modellina saatis teda edu, siis aga hakkas ta teiste supermodellide eeskujul võtma ka näitlemistunde. Filmides esineb ta alates 1990. aastast.

Ta on olnud abielus näitleja Vincent Casseliga, kellega koos on ta mänginud paljudes filmides. Neil on kaks tütart: Deva, kes sündis 12. septembril 2004. aastal ja Léonie, kes sündis 21. mail 2010. aastal. Bellucci ja Cassel teatasid oma lahutusest 26. augustil 2013.