La incorporación de Nino Rota al mundo del cine fue tan temprana como sus incursiones en la ópera o el ballet. En 1933 compuso su primera banda sonora para la película Treno popolare, de Raffaello Mattarazzo, pero no fue hasta los años cuarenta y cincuenta cuando dedicó su trabajo más claramente al mundo del cine. La filmografía de Nino Rota está formada por unas 150 bandas sonoras, y llegó a escribir la música de hasta 15 películas en un solo año (por aquella época era notable también la productividad de compositores italianos como Ennio Morricone). De esa época destaca Nápoles millonaria (1950), una sátira sobre la guerra dirigida por Eduardo De Filippo que mostraba la vida diaria en una calle de Nápoles desde 1940 hasta 1950, su año de producción. Aquí está ya la esencia de la obra de Nino Rota, de una soberbia belleza melódica.
Sin duda, la relación entre el compositor y el director Federico Fellini es una de las más fructíferas y duraderas de la historia del cine. Perfecta simbiosis de música e imagen, Fellini y Rota, Rota y Fellini, son indisociables, imprescindibles para entender la visión cinematográfica de uno y de otro. En los años cuarenta, Nino Rota compuso la música de algunas películas en las que participó Fellini como guionista: Il delito di Giovanni Episcopo (1947) o Sin piedad (1948), ambas de Alberto Lattuada. Pero el primer trabajo ya con Federico Fellini como director fue en su segunda película, El jeque blanco (1952) y al año siguiente en Los inútiles (1953)
Pero no solo es Fellini con el que repite colaboración Nino Rota, sino también con otros directores como Alberto Lattuada o Eduardo De Filippo. En 1955 el director Giorgio Bianchi estrena La cárcel de los líos, una historia carcelaria que cuenta con una excelente banda sonora de Nino Rota.
Uno de los primeros trabajos de Nino Rota en Hollywood fue la superproducción dirigida por King Vidor en 1956 Guerra y paz, adaptación de la novela de Leon Tolstoi, que tenía como intérpretes a Henry Fonda, Mel Ferrer y Audrey Hepburn. Incomprendida en su época (la crítica la destrozó), la película de King Vidor merece mejor consideración en la actualidad, y especialmente su trabajo musical resulta notable. Nino Rota fue el primer músico italiano que traspasó las fronteras de su país para trabajar en producciones extranjeras, primero británicas y después norteamericanas.