Em Marcello Mio, Chiara (Chiara Mastroianni), filha dos icônicos Marcello Mastroianni e Catherine Deneuve (Catherine Deneuve), é uma atriz que vive um verão de intensa crise existencial. Insatisfeita com sua própria vida, ela começa a se questionar sobre sua identidade e, em um momento de desespero, afirma a si mesma que preferiria viver a vida de seu pai, uma lenda do cinema, do que enfrentar a sua realidade. Determinada, Chiara começa a imitar Marcello em tudo: veste-se como ele, adota seu jeito de falar, respira como ele. Sua obsessão é tamanha que, com o tempo, as pessoas ao seu redor começam a entrar nessa sua estranha transformação, passando a chamá-la de Marcello. Em um jogo de espelhos entre passado e presente, Marcello Mio explora a busca por identidade, legado e o impacto da fama na vida pessoal de uma mulher perdida em sua própria sombra.