Khi đã 30 tuổi, Fellini mới bắt đầu đạo diễn bộ phim đầu tiên, Luci del varietà (1950), một sản phẩm hợp tác giữa ông và đạo diễn nhiều kinh nghiệm Alberto Lattuada. Tác phẩm đầu tiên là một thất bại, nó không nhận được sự hưởng ứng từ phía công chúng và cả giới phê bình. Kết quả là công ty sản xuất phá sản đẩy hai đạo diễn tới chỗ nợ nần trong hơn một thập kỷ[1].

Bộ phim đầu tiên do Fellini một mình thực hiện là Lo Sceicco Bianco (1952). Có sự tham gia của ngôi sao Alberto Sordi, bộ phim là sự phát triển ý tưởng của đạo diễn Michelangelo Antonioni từ năm 1949 dựa trên bộ truyện tranh rất nổi tiếng thời đó ở Ý. Nhà sản xuất Carlo Ponti đã đề nghị Fellini và Tullio Pinelli phát triển ý tưởng này.

Sau giai đoạn thành công với những tác phẩm theo chủ nghĩa hiện thực mới (neorealism) từ năm 1950 đến năm 1959, Federico Fellini bắt đầu sáng tác dựa trên những lý thuyết phân tích tâm lý của Carl Jung, với chủ đề này ông đã cho ra đời một loạt tác phẩm nổi tiếng như 8½ (1963), Giulietta degli Spiriti (1965), Satyricon (1969), Il Casanova di Federico Fellini (1976) và La città delle donne (1980).[2]

Các bộ phim của Federico Fellini được đánh giá rất cao, bốn trong số này đã được trao Giải Oscar cho phim ngoại ngữ hay nhất, đó là La strada (1954), Le Notti di Cabiria (1957), 8½ (1963) và Amarcord (1973). Một tác phẩm lớn khác, bộ phim La dolce vita (1960) được coi là bộ phim có ảnh hưởng nhất của thập niên 1960 và được tạp chí Entertainment Weekly xếp thứ 6 trong danh sách các bộ phim vĩ đại nhất của mọi thời.[3]

Ngoài nghiệp đạo diễn, năm 1948 Fellini còn tham gia diễn xuất trong bộ phim Il miracolo của đạo diễn Roberto Rossellini cùng nữ diễn viên Anna Magnani. Ông cũng tham gia viết kịch bản cho các chương trình phát thanh và kịch bản phim (của các đạo diễn như Rossellini, Pietro Germi, Eduardo De Filippo và Mario Monicelli). Có năng khiếu vẽ tranh biếm họa, Fellini thường sáng tác các bức biếm họa bằng chì, màu nước và bút màu trong các chuyến đi xa của ông, đạo diễn còn sáng tác một cuốn tiểu thuyết có minh họa với tựa đề Trip to Tulum.

Năm 1992, Fellini đã cộng tác với đạo diễn người Canada Damian Pettigrew để hoàn thành cuốn phim tài liệu về chính cuộc đời họa sĩ, Fellini: I'm a Born Liar (Fellini: Tôi là người nói dối bẩm sinh - 2002).