Virna Lisi nació con el nombre de Virna Pieralisi en Ancona (centro de Italia) el 8 de noviembre de 1936, aunque más tarde se trasladó a Roma junto con su familia. Ya en la adolescencia y debido a su excepcional belleza fue descubierta por los productores Antonio Ferrigno y Pesce Ettore, quienes la introdujeron en el mundo del cine europeo. Debuta en el cine con diecisiete años, en la película «…e Napoli canta» (1953), y obtiene su primer éxito junto a Totò en «Questa è la vita» (1954).
Tras la película «Le diciottenni» (1955) Virna Lisi se convertirá en una de las actrices más apreciadas del cine italiano. Es muy famosa por su bella apariencia, pero ella demostrará que puede no solo ser una cara bonita sino una buena actriz trabajando a las órdenes de Luigi Capuano («Luna nuova», 1955), Antonio Pietrangeli («Lo scapolo», 1955, con Alberto Sordi), o de Francesco Maselli («La donna del giorno», 1956) o de Sergio Corbucci («Ròmulo y Remo», 1961, junto a Steve Reeves y Gordon Scott) con buenas críticas. También trabaja en el Piccolo Teatro de Milán dirigida por Giorgio Strehler.

A principios de la década de 1960 Virna Lisi da el salto al cine europeo. Participa en «Eva» (1962), de Joseph Losey junto a Jeanne Moreau y Stanley Baker. En «El tulipán negro» (1964), filme de época parcialmente rodado en España, da la réplica a Alain Delon dentro de un largo reparto internacional: Adolfo Marsillach, Akim Tamiroff, George Rigaud…
En 1963 rechaza el papel de chica Bond en «Desde Rusia con amor», protagonizada por Sean Connery; su personaje lo haría finalmente Daniela Bianchi. Virna Lisi sigue trabajando en el cine italiano y así, participa en la película «Señoras y señores», dirigida por Pietro Germi, que gana la Palma de Oro del Festival de Cannes.

A mediados de los años 60, Virna Lisi decidió hacer carrera en Estados Unidos, donde se la trató de imponer como una nueva Marilyn Monroe después del fallecimiento de mítica actriz, debido a su pelo rubio. En Hollywood, los productores estaban buscando una nueva figura de reemplazo de Marilyn Monroe y la apariencia de Virna Lisi encajaba a la perfección. Fue contratada por los estudios Paramount y participó en los mismos tipos de roles que le eran asignados a Monroe en el género de la comedia: trabajó junto a Jack Lemmon en «Cómo matar a la propia esposa» (1965), y con Tony Curtis en «¡Bromas con mi mujer, no!» (1966). Posteriormente Virna Lisi se decantó hacia el drama al protagonizar junto a Frank Sinatra «Asalto al Queen Mary» (1966). También prestó su rostro para una rareza publicitaria: apareció con crema de afeitar en la cara en una fotografía que salió en la portada de marzo 1965 del Esquire Magazine. Décadas después, una imagen similar sería protagonizada por K. D. Lang y Cindy Crawford.

Pero Virna Lisi se cansó de su incursión americana porque fue encasillada en el medio hollywoodiense como una rubia mujer seductora, sin poder llegar a interpretar roles de carácter. Rehusó posar desnuda para la revista Playboy y se rumoreó que también rechazó el papel protagonista del filme «Barbarella» de Roger Vadim, decidiendo regresar a Europa. Su vacante sería cubierta por Jane Fonda. La rescisión del contrato con la Paramount causó problemas a Virna Lisi: se vio inmersa en un litigio y tuvo que pagar una multa.

Su regreso a Europa no la alejó del cine internacional, ya que en aquella época Italia acogía los rodajes de muchas coproducciones. Así, Lisi participó en dos películas con el consagrado Anthony Quinn: el drama bélico «La hora 25» y el éxito «El secreto de Santa Vittoria» (1969), dirigido por Stanley Kramer y que contó también con Anna Magnani.
En las décadas de 1960 y 1970 rodó muchos otros filmes de vocación internacional: «La muchacha y el general» con Rod Steiger, «Barba Azul» con Richard Burton y Raquel Welch, «El serpiente» con Yul Brynner y Henry Fonda, «El árbol de Navidad» de Terence Young junto a William Holden… Su carrera profesional no se limita al cine sino que también trabaja en el teatro o en la televisión.

También actuó en papeles más exigentes en melodramas italianos tales como «Casanova 70» y «La Bambole» (1965), «Arabella» (1967), «Le dolci signore» (1968) y en una versión de «Otelo» (1969) a las órdenes de Enrico Maria Salerno. En 1974-75 rodó, junto a Franco Nero, dos filmes sobre la novela «Colmillo Blanco» bajo dirección de Lucio Fulci, tras lo cual redujo su actividad profesional para volcarse en la vida familiar. En 1977 participó a las órdenes de Liliana Cavani en «Más allá del bien y del mal», junto a Dominique Sanda, Robert Powell y Erland Josephson. Despues se centra en la televisión y logra un gran reconocimiento por su trabajo en la serie televisiva «La vida continúa», de Dino Rissi, considerada la «Dallas italiana» por reflejar la evolución de una familia burguesa.

«La Cicala» (1980) de Alberto Lattuada proporciona a Virna Lisi el Premio David de Donatello a la mejor actriz. Volverá a colaborar con Lattuada en 1985, esta vez para una teleserie sobre Cristóbal Colón. Entre medias, Virna Lisi gana otro David de Donatello, esta vez como mejor actriz secundaria, por «Sapore di mare» de Carlo Vanzina.
A finales de la década de 1980 Lisi empieza a espaciar sus apariciones en el cine para trabajar más en televisión; así, en 1991 participa en la teleserie «El misterio de la jungla negra», junto a Stacy Keach, bajo dirección de Kevin Connor.
En 1995 tuvo una triunfal reaparición en el cine: ganó el César a la mejor actriz secundaria y el premio a la mejor actriz en Cannes por su participación en «La reina Margot» donde encarnó a Catalina de Médicis. En este filme trabajó junto a Isabelle Adjani, Daniel Auteuil, Vincent Perez, Miguel Bosé… Tras ella participó en la película de comedia «Las cien y una noches» de Agnès Varda, con un reparto coral de lujo: Michel Piccoli, Marcello Mastroianni, Jean-Paul Belmondo, Alain Delon, Fanny Ardant, Catherine Deneuve, Robert de Niro, Jeanne Moreau, Assumpta Serna, Patrick Bruel…

En 2002 protagonizó el filme «Il più bel giorno della mia vita», de Cristina Comencini, pero en la última década Virna Lisi se había volcado en la televisión, con casi una decena de trabajos.

La actriz estuvo casada desde 1960 con Franco Pesci, que falleció en septiembre de 2013, con quién tuvo un hijo, Conrado, nacido en 1962. Virna Lisi falleció en Roma el 18 de diciembre de 2014, a los 78 años de edad a consecuencia de un cáncer que se le había diagnosticado apenas un mes antes de su muerte.