Era figlio di Vincenzo Mastroianni e della seconda moglie Luigia Maria Vincenza Conte. Umberto era lo zio dell'attore Marcello Mastroianni: infatti suo padre Vincenzo aveva avuto dalla prima moglie - Concetta Conte, sorella della seconda - un figlio di nome Ottone, futuro padre di Marcello. Umberto nel 1924 arriva a Roma, dove frequenta, contemporaneamente allo studio di suo zio Domenico, i corsi di disegno dell'Accademia di San Marcello. Si trasferisce nel 1926 a Torino dove affina il "mestiere di scultore". Nel 1930 arriva il primo riconoscimento ufficiale, il "Premio del Turismo" offerto dal Ministero della Pubblica Istruzione e, di lì a poco, le prime mostre a livello nazionale ed europeo. Chiamato in guerra, parteciperà poi alla Resistenza nelle formazioni del canavese con un tale impegno che rifletterà poi nelle sue opere successive, caricandovi le istanze partorite da quella concreta lotta in nome della libertà, per arrivare alla formulazione di quella "poetica della Resistenza" riconosciutagli da Giulio Carlo Argan. A Torino riesce velocemente a trovare i primi amici e i compagni di avventura a cui resterà legato per tutta la vita. Dopo la liberazione è tra i promotori di un superamento soprannazionale della cultura italiana secondo le indicazioni delle "avanguardie storiche". Nel 1945 vince, con la collaborazione dell'architetto Carlo Mollino, il concorso per il Monumento al Partigiano: l'opera, di considerevole dimensione, verrà successivamente collocata nel Campo della Gloria del cimitero Generale di Torino. Nel 1951 tiene la sua prima mostra personale alla Galerie de France di Parigi, la più importante in Europa. La critica straniera si rende subito conto della qualità della sua produzione e del suo significato. Il riconoscimento più alto lo consegue alla XXIX Biennale di Venezia del ’58, quando ottiene il Gran Premio Internazionale per la scultura. Nel 1962 Mastroianni si dedica all'incisione approntando anche le lastre per l'illustrazione di alcuni volumi . Presenta tre sculture in bronzo: Hiroshima del 1960, Il sole del 1961 e Invasioni del 1962. Nel ’64 il Comune di Cuneo gli affida l'esecuzione del Monumento alla Resistenza italiana, cui lavora per cinque anni, dal 1964 al 1969. Nel 1969 realizza a Cuorgnè (TO) il monumento alla Resistenza canavesana, collocato davanti al municipio della cittadina piemontese. Nel 1971 la città di Frosinone gli commissiona il Monumento ai Caduti di tutte le guerre (la cui idea è del 1970), eseguito in acciaio e collocato nel 1977. Nel frattempo ottiene anche l'incarico dalla città di Cassino di elaborare un Mausoleo della pace (collocato nel 1987). In ordine di tempo viene il Monumento alla Resistenza della città di Urbino del 1980, che dialoga con l'eccezionale complesso urbanistico del capoluogo dall'alto del parco della Resistenza. Titolare della cattedra di scultura all'Accademia di belle arti di Bologna, ne tiene anche la direzione dal 1961 al 1969; da Torino si trasferisce nel 1970 a Marino, insegnando prima all'Accademia di belle arti di Napoli, quindi in quella di Roma. Nel 1973 l'Accademia dei Lincei gli conferisce il Premio Feltrinelli. Nel ’79 quasi a dimostrazione della sua inesauribile vocazione sperimentale esegue per il Teatro dell'Opera di Roma la scenografia del Coro dei morti su testo di Giacomo Leopardi e musica di Goffredo Petrassi. A cui farà seguito l'anno seguente il lavoro sull'Uccello di fuoco di Igor Stravinskij. Nel 1985 gli viene conferito a Tokyo "The 4th Henry Moore Grand Prize Exhibition the Utsukushigahara Open Air-Museum". Lo stesso Museo d'Arte Moderna, poco distante dalla capitale nipponica, gli dedica una sala permanente con una dozzina di opere, tra le quali ha assoluto spicco il bronzo Hiroshima del ’60. Nel 1987 regala allo Stato italiano 26 opere per lo più del periodo informale, il nucleo più importante della sua collezione: il valore artistico e morale di questo lascito è documentato dalla mostra allestita al San Michele di Roma. A coronamento di una prodigiosa carriera, e dopo i premi Biancamano e la Ginestra d'oro del Cònero, il 27 ottobre del medesimo anno gli viene consegnato a Tokyo il "Praemium Imperiale", una sorta di Nobel del Sol Levante. Un altro Monumento resistenziale viene inaugurato nella città di Poggibonsi nel giugno del ’90 . Circa dieci anni dopo aver ricevuto la cittadinanza onoraria di Arpino, Mastroianni ottiene nel luglio ’91 quella di Chiaravalle. Nel dicembre del 1993 gli viene conferito il "Premio Michelangelo". Sempre nel ’93 dona a Fontana Liri, sua città natale, una scultura monumentale in ricordo delle sue radici e in onore di tutti i cittadini del luogo, in particolare suo padre. Nel 1994 a Torino si inaugura l'imponente lavoro della Cancellata del Teatro Regio e gli viene conferita la Cittadinanza onoraria. Nel 1995 viene progettato ed inaugurato nella città di Cumiana il bassorilievo in bronzo a ricordo dei caduti nella Resistenza. Nello stesso anno a Pieve di Cento, in onore a Guglielmo Marconi, viene inaugurata la scultura monumentale Elettra. Nella notte del 25 febbraio 1998, all'età di ottantotto anni, dopo una lunga e dolorosissima malattia, Mastroianni muore nella sua casa-museo di Marino, presso i Giardini Colonna. Viene sepolto nel cimitero di Carmagnola (Torino).

Onorificenze Cavaliere di gran croce dell'Ordine al merito della Repubblica italiana  — 20 novembre 1989[3]
Grande ufficiale dell'Ordine al merito della Repubblica italiana
«Di iniziativa del Presidente della Repubblica» — 20 luglio 1979[4]
Medaglia d'oro ai benemeriti della scuola della cultura e dell'arte  — 2 giugno 1967[5]