Народився в сім'ї менеджера RAI і дочки югославського представника в Ватикані Кирила Котника, словенця за національністю. У 15 років вступив до молодіжної асоціації комуністів, в 1976 обраний радником мерії Риму від Італійської комуністичної партії.
У 1998-2001 обіймав посаду керівника партії «Ліві демократи»; пішов у відставку після обрання мером Риму. На цій посаді Вельтроні користувався значною підтримкою містян.
У 2007 обраний першим головою нової лівоцентристської Демократичної партії, а в лютому 2008 пішов у відставку з поста мера міста, щоб сконцентруватися на підготовці до парламентських виборів, на яких, однак, перемогли правоцентристи Сільвіо Берлусконі. На виборах в основі програми Вельтроні були активізація соціальної політики та політична реформа, покликана стабілізувати політичне життя «Час ідолів у політиці пройшов!».
У лютому 2009 оголосив про відхід з поста лідера партії.
Вельтроні є автором близько двох десятків книг на різну тематику.