Issue d'un milieu aisé, Anna-Maria Massatini prend le nom de Léa en mémoire de son fiancé Léo, mort à l'âge de 22 ans. Elle quitte l'Italie pour la Suisse et y étudie l'architecture. Elle devient l'assistante du décorateur Piero Gherardi et se fait remarquer par Mario Monicelli alors qu'elle travaille sur le décor d'un de ses films. Il lui offre le rôle féminin principal dans du Du Sang dans le soleil (1956) .

Malgré son manque de formation de comédienne, Léa Massari fait preuve d'un grand talent pour les rôles dramatiques. Elle tourne devant la caméra de réalisateurs italiens comme Mauro Bolognini, Dino Risi (Une vie difficile 1961), Sergio Leone (Le Colosse de Rhodes 1961) mais c'est le rôle de Anna, la disparue de L'Avventura (1960) chez Michelangelo Antonioni qui la révèle au grand public.

A partir des années 70, Léa Massari passe de l'autre côté des Alpes. Pour son premier film français, L'Insoumis de Alain Cavalier (1964), elle partage l'affiche avec Alain Delon qu'elle retrouvera dans un film italien de Valerio Zurlini, Le Professeur (1972). Elle joue sous la direction de Claude Sautet (Les Choses de la vie 1970) et fait scandale en interprètant le rôle d'une mère incestueuse dans Le Souffle au Coeur de Louis Malle (1971). Mais elle reste particulièrement connue pour des films plus populaires (La 7ème cible 1984) où elle seconde des acteurs tel que Lino Ventura.

Léa Massari se fait plus rare dans les années 80. Discrète, elle enchaîne les seconds rôles dans les productions de qualité (Peur sur la ville de Henri Verneuil 1975) et garde une prédilection pour les rôles dramatiques. Au milieu des années 80, elle retourne vers l'Italie pour jouer au théâtre Deux sur une balançoire, Le cercle de craie caucasien ...