第二次世界大戦が終結した1945年に演劇の世界に入り、ローマで映画の制作スタッフとして働くとともに、ローマ大学の演劇センターで俳優のレッスンを受け始める。その後イタリアを代表する巨匠、ルキノ・ヴィスコンティ監督に才能を認められ、1947年にイタリアで公開された『レ・ミゼラブル』（原題：『I Miserabili』）で俳優としてのキャリアをスタートさせる。
1924年9月28日にイタリア中部の町、フォンターナ・リーリの家具職人の家に生まれたマストロヤンニは、イタリアの首都・ローマと北部の工業都市トリノで育ち、その後徴兵されて第二次世界大戦にイタリア軍の兵士として参戦した。1943年9月8日にイタリアが連合国軍に降伏し、その後、イタリア北部がドイツ軍の占領下に入るとドイツ軍の捕虜収容所に入れられたものの、からくも脱出し、その後1945年までの間イタリア北部のヴェネツィアにいた。
4歳の時、足の腫瘍を患い、車椅子生活をしていた。手術後、小学2年生の時から歩けるようになり、小学3年生の時は学校のリレーでアンカーを務めるほど回復した。中学生時代は部活動に打ち込み、高校生時代はHY、西野カナ、加藤ミリヤなどの音楽を聴くようになった。高校1年生の時、大分県大分市の情報誌『CHIME』のモデルとして芸能活動を開始した。2010年2月1日、大分県のアイドルグループCHIMOのリーダー役に就任し、メインボーカルとして活動した。2010年4月27日、『ロンドンハーツ』（テレビ朝日）の47都道府県から美少女を探す「AKG47」という企画で大分県代表に選ばれた。2011年3月、高等学校を卒業後、CHIMOを卒業した。2011年4月、スカウトされ、レコード会社から歌声を褒められたことがきっかけで、歌手を目指し、大分県から上京した。親からは「大学に行ったつもりで東京に出すよ」と言われ、4年から5年の間に結果を出さなければならないと考えていた。2011年5月10日、Twitterアカウントを開設した。2011年7月、『ミスマガジン2011』で約1万5000人の応募者の中からグランプリを受賞した。2011年8月21日、乃木坂46の1期生オーディションに合格、オーディションではEvery Little Thingの「出逢った頃のように」を歌った。オーディションを受験した理由は、子どもの頃から歌が好きだったからである。それまで北乃きいや倉科カナのような女優を目指していたが、周囲からの薦めもあって、歌やダンスのスキルを上げるために受験した。2011年9月14日、初のソロイメージDVD『ミスマガジン2011 衛藤美彩』を発売した。DVDはグアムで撮影された。2011年11月14日、乃木坂46公式ブログを開始した。2012年1月31日、初のソロ写真集『彩 -いろどり-』を発売した。写真集は2011年10月中旬に沖縄県の石垣島で撮影された。写真集のタイトルは母がこだわっていた美彩の「彩」という文字が採用された。2013年1月13日、乃木神社で執り行われた乃木坂46合同の成人式に出席。2013年11月27日、乃木坂46の7thシングル「バレッタ」で初の選抜メンバーに選ばれ、カップリング曲「私のために 誰かのために」で初のユニットを務めた。2014年、三宅裕司が主宰する劇団スーパー・エキセントリック・シアター創立35周年公演『Mr. カミナリ』の第52回本公演に桜井玲香とのダブルキャストで出演し、九州から東京の小学校に赴任してきた新任の音楽教師・臼杵七音役を演じた。2015年4月3日、ラジオ番組『金つぶ』（BayFM）のアシスタントMCとして出演を開始した。乃木坂46メンバーで斉藤優里・永島聖羅・新内眞衣に続く4人目のラジオ番組レギュラー出演者となった。2015年8月31日、乃木坂46の13thシングル「今、話したい誰かがいる」で初の十福神およびフロントポジションを務めることが発表された。抜擢理由として、乃木坂46運営委員会委員長・今野義雄は「頑張ったからじゃないか」と述べた。2016年4月9日、乃木坂46の北野日奈子・寺田蘭世との3名で女子野球日本代表の公式サポーターを務めることが発表された。2016年8月26日、会計入門小説『なぜ彼女が帳簿の右に売上と書いたら世界が変わったのか?』（PHP研究所）を発売した。発売前日、発刊記念として日本大学商学部講堂でシンポジウムも開催された。2017年4月25日、ソロ写真集『話を聞こうか。』を発売。2018年4月30日からフジテレビONE『プロ野球ニュース』月曜日キャスターに就任。2019年2月14日、3月31日にインテックス大阪で行われる全国握手会をもって乃木坂46を卒業することを発表。また、3月19日に両国国技館にて卒業ソロコンサートを開催することが発表された。乃木坂46メンバーがソロコンサートを行うのは、生田絵梨花以来となる2人目で、興行として乃木坂46のメンバーがソロコンサートを行うのは初。卒業後も芸能活動は継続。ソロコンサートでは8万もの応募があり、8000人を動員した。また、このコンサートでは、4thアルバム『今が思い出になるまで』に、ソロ曲「もし君がいなければ」が収録されることを発表した。2019年3月31日、インテックス大阪で行われた全国握手会で最後の握手会を終え、約8年間所属した乃木坂46を卒業。2019年4月、プロ野球埼玉西武ライオンズの源田壮亮内野手との交際が明らかになり、公式インスタグラムで交際を報告した。2020年新春公開予定の『静かな雨』で、映画初出演にして初主演（仲野太賀とのダブル主演）。