Nasce a Dublino, dove vive per circa tre anni prima di trasferirsi con la famiglia a Tivoli, nei pressi di Roma. Figlia dello scrittore Carlo Mazzantini e della pittrice irlandese Anne Donnelly, si diploma presso l'Accademia Nazionale d'Arte Drammatica all'inizio degli anni anni ottanta.
Successivamente si esibisce come attrice di teatro, cinema e televisione ma è conosciuta soprattutto come scrittrice; ha infatti esordito in letteratura con Il catino di zinco (Marsilio Editori, 1994), vincitore del premio Opera Prima Rapallo-Carige e finalista al Premio Campiello. Con Non ti muovere (Mondadori, 2002) ha vinto il Premio Strega e il premio Premio Grinzane Cavour e ha venduto quasi 2 milioni di copie.
Nel 2003 è stata insignita del titolo di Cavaliere Ordine al merito della Repubblica Italiana su iniziativa del Presidente della Repubblica.
Dopo alcuni anni, il 12 novembre 2008 la Mazzantini è ritornata nelle librerie con il romanzo Venuto al mondo, insignito del Premio Campiello 2009.
Nel 2011 viene pubblicato il romanzo Nessuno si salva da solo, edito dalla Mondadori.
Dal 1987 è sposata con l'attore Sergio Castellitto.

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