Diplômé en chimie, Gilli Pontecorvo se destine tout d'abord au journalisme. Mais la découverte de Paisa de Roberto Rossellini, pierre angulaire du néo-réalisme, bouleverse ce jeune militant communiste. Il décide alors de se consacrer au cinéma. Tout d'abord assistant réalisateur pour Francesco Maselli (lui aussi communiste) et Mario Monicelli, il passe rapidement à la réalisation, faisant ses armes dans le documentaire, un genre auquel il reviendra régulièrement. En 1955, il s'essaie à la fiction avec le court métrage Giovanna, qui suit une grève dans une usine textile en Italie. Il passe au long métrage en lançant Yves Montand sur La Grande route bleue, où un pêcheur est tiraillé entre sa conscience et l'obligation de nourrir sa famille. Pontecorvo confie le scénario du film à Franco Solinas, appelé à devenir un proche collaborateur du cinéaste. Deux ans plus tard, le réalisateur signe un film d'une ambition rare, Kapo, qui plonge dans le quotidien d'un camp de concentration. Portée par Emmanuelle Riva et Laurent Terzieff, cette oeuvre crée la polémique, et vaut au réalisateur les foudres de Jacques Rivette, plume acérée des Cahiers du Cinéma.

Après une longue éclipse et un projet avorté (Paras, consacré au colonialisme français en Algérie), Pontecorvo revient sur le devant de la scène avec La Bataille d'Alger (1966), qui se concentre sur l'un des épisodes les plus sanglants de la guerre d'Algérie. Réalisé quatre ans après la signature des accords d'Evian, ce film italo-algérien décrit avec réalisme la résistance algérienne et le déploiement des parachutistes français dans les rues d'une ville en état de siège. Le censure française n'accordera un visa d'exploitation au film qu'en 1971. Avec les années, l'oeuvre, couronnée du Lion d'Or au festival de Venise en 1966, deviendra une référence.

Après l'échec de Queimada (1969) – une fable politique avec un Marlon Brando tout en démesure -, Pontecorvo se met en retrait du cinéma. Une décennie plus tard, il opère un nouveau retour sur les plateaux et prouve, avec Opération Ogre, qu'il est resté un militant farouche et tire à boulets rouges sur le régime franquiste. Ce thriller antifasciste restera la dernière fiction du cinéaste, qui se consacrera par la suite au documentaire (Un autre monde est possible).