Кардинале участва в над 100 филма, а сред най-запомнящите ѝ се роли са във „8½“ на Федерико Фелини (1963) заедно с Марчело Мастрояни, в „Гепардът“ на Лукино Висконти (1963) и в „Имало едно време на Запад“ на Серджо Леоне (1968). Самата тя определя участието си в холивудската продукция „Професионалистите“ (1966) на Ричард Брукс като най-доброто си американско постижение.
Актрисата е родена в Тунис в семейство на сицилиански емигранти. Кариерата ѝ започва случайно – печели конкурс за красота едва на 17 години, който я отвежда на фестивала във Венеция. Първоначално мечтаела да стане учителка, но скоро привлича вниманието на италианската филмова индустрия.
След успеха на София Лорен, Кардинале е представяна като „италианския отговор на Бриджит Бардо“. Въпреки че не достига световната популярност на френската актриса, тя работи с водещи европейски и холивудски режисьори и остава символ на епохата си. През 1993 г. получава „Златен лъв“ за цялостно творчество във Венеция, а през 2000 г. става посланик на добра воля на ЮНЕСКО в защита на правата на жените.
Кардинале има две деца – едно от връзката си с продуцента Франко Кристалди, с когото е омъжена между 1966 и 1975 г., и друго от дългогодишния си партньор, режисьора Паскуале Скуитиери.