Né à Rome où son père était projectionniste, il est diplômé de l'école de cinéma Centro Sperimentale di Cinematografia. À l'âge de 20 ans, il est assistant cadreur, puis promu opérateur. Alors qu'il reçoit de nombreuses propositions pour devenir chef-opérateur, il consacre plusieurs années à l'étude des œuvres de grands peintres, écrivains, musiciens et autres artistes – jusqu'à ce qu'il se sente prêt. Il fait ses débuts de directeur de la photo sur un long métrage de Franco Rossi, en 1968, avant d'enchaîner avec L'OISEAU AU PLUMAGE DE CRISTAL. Après avoir rencontré Storaro à l'époque où il était assistant caméraman, Bertolucci sollicite ce dernier pour son quatrième film, LA STRATÉGIE DE L'ARAIGNÉE. Leur collaboration durera plus de vingt ans.
Il a fait l'objet d'un documentaire de David Thompson, en 1992, «Writing with light : Vittorio Storaro ». En 2002, il a publié la trilogie «Storaro : Writing with light : The Light - The Colors - The Elements». Inspiré par la fresque de « La Cène» de Leonard De Vinci, il a créé le dispositif Univisium, format 35mm à 3 perforations (format d'image 2:1). Il a mis au point cette nouvelle technologie en pensant que le 2:1 allait devenir le format universel pour le cinéma et la télévision dans l'ère numérique. Il a d'ailleurs utilisé le 2:1 dans tous ses films depuis 1998, y compris dans CAFÉ SOCIETY, tourné en numérique.
Souvent distingué, Storaro a remporté un David di Donatello, un Emmy, un Goya, et un European Film Award, des prix des National Society of Film Critics, NY Film Critics Circle, LA Film Critics et d'autres associations de critiques. Il est le plus jeune chef-opérateur à avoir reçu le Lifetime Achievement Award décerné par l'American Society of Cinematographer, et le deuxième lauréat seulement – après Sven Nykvist – qui ne soit pas citoyen américain. Il a décroché plusieurs diplômes honoris causa de l'université de Lodz (Pologne), Urbino (Italie), et du Marist College (New York) et les honneurs académiques de l'Académie des Beaux-arts de Macerata, Brera, Frosinone, et Rome. Il a enseigné «l'écriture avec la lumière dans la photographie» pendant dix ans à l'Académie des Arts et des Sciences de l'Image de L'Aquila (Italie). Il a été président ou membre du jury de nombreux festivals internationaux. Storaro a pour ambition de faire reconnaître le statut du chef-opérateur comme coauteur d'un film.
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