Castelnuovo töötas nooremana nii maalri kui ka mehaanikuna, näitlejakarjäär sai alguse 1957. aastal ühes Itaalias lastesaates. Suurema läbimurde saavutas ta aga 1964. aastal, kui ta astus üles Jacques Demy romantilises draamas "Cherbourg'i vihmavarjud" koos Cathrenie Deneuve'iga. Film võitis Cannes'is Kuldse Palmioksa ning režissöör Damien Chazelle peab seda oma "La La Landi" põhiliseks inspiratsiooniallikaks.

1960. aastatel mängis Castelnuovo hulgas Itaalia filmides, kuid keskendus järgmistel kümnenditel pigem telesarjadele ja teatrile. 1996. aastal tegi ta väikese rolli ka Anthony Minghella filmis "Inglise patsient", mis võitis kokku üheksa Oscarit. Tema viimaseks filmirolliks jäi ülesastumine 2016. aasta spordifilmis "The Legacy Run".