Nato in una famiglia d'origine molisana e cresciuto in un ambiente ricco di stimoli (suo padre è un raffinato critico d'arte la cui casa è frequentata da prestigiosi scrittori), partecipa giovanissimo alla Resistenza partigiana ed ancora ragazzo manifesta la sua adesione al comunismo. Interrotti gli studi liceali, si iscrive al Centro sperimentale di cinematografia, diplomandosi nel 1949. Inizia la carriera come assistente alla regia e aiuto regista per Luigi Chiarini e Michelangelo Antonioni in diversi film e doc...visualizza tuttocumentari.
Dopo il documentario da lui diretto Bagnaia paese italiano del 1949, nel 1953 collabora con Luchino Visconti nell'episodio di Siamo donne interpretato da Anna Magnani e nello stesso anno dirige con Cesare Zavattini Storia di Caterina, episodio del film L'amore in città. Esordisce con i lungometraggi nel 1955 con Gli sbandati, film sulla Seconda guerra mondiale interpretato fra gli altri da Lucia Bosè. Il cinema di Maselli tratta i personaggi e le problematiche sociali in chiave neorealista, affrontando i temi sempre con impegno ideologico, politico e morale.
Nel 1957 realizza La donna del giorno, critica il mondo della pubblicità e della stampa "rosa". Maggior successo riscuote il successivo I delfini (1960, con Claudia Cardinale), ritratto psicologico e sociale di un gruppo di giovani della borghesia di provincia. Dopo Le adolescenti e l'amore, episodio del film Le italiane e l'amore, nel 1964 porta sullo schermo Gli indifferenti, tratto dall'omonimo romanzo di Moravia, realizzando un acuto ritratto psicologico di una famiglia in decadenza. Con i successivi Fai in fretta ad uccidermi... ho freddo! (1967) e Ruba al prossimo tuo (1968) affronta rispettivamente il thriller e la commedia all'italiana.
In Lettera aperta a un giornale della sera del 1970 (in parte autobiografico) narra la vicenda di un gruppo di intellettuali di sinistra che, annoiati dalla routine quotidiana, decidono di fondare una brigata internazionale di combattenti per il Vietnam e di partecipare al conflitto dalla parte di Ho Chi Minh, annunciando il loro proponimento in una lettera aperta che, contro le loro aspettative, viene pubblicata da un giornale mettendoli così nell'imbarazzo di dover mettere in pratica le loro idee. Il suo "cinema-verità" torna prepotentemente a galla in Il sospetto (1975), storia di un operaio (Gian Maria Volonté) aderente al Partito Comunista Italiano che viene inviato dal Comitato Centrale del PCI, esule in Francia, a Torino per stanare un infiltrato dell'OVRA.
Dagli anni Ottanta si è dedicato a film più intimisti, per lo più ritratti femminili: Storia d'amore (1985), Codice privato (1988), Il segreto (1990), L'alba (1991). Nel 1996 ha presentato al Festival di Venezia Cronache del terzo millennio, sulla resistenza di un gruppo di condomini allo sfratto da un enorme caseggiato. Nel 1999 ha diretto Il compagno, nel 2004 Frammenti di Novecento, nel 2007 Civico 0 e nel 2009 Le ombre rosse. Nel 2011 ha presentato alla Mostra di Venezia Scossa, film a episodi.
Nel 2010 ha ricevuto il Premio Federico Fellini 8 1/2 per l'eccellenza artistica al Bif&st di Bari.
