Giorgio Mondini commence sa carrière automobile en 2001, à l'âge de 21 ans, dans le championnat d'Eurocup Formule Renault 2000, sans aucune expérience préalable en karting. En 2003, il rejoint la Formule Renault V6 Eurocup, qu'il remporte l'année suivante, en 2004, avec l'écurie EuroInternational, grâce à trois victoires.

Il commence la saison 2005 en World Series by Renault, puis rejoint le championnat GP2 pour remplacer Ryan Sharp. A la fin de la même année, il fait ses premiers pas en Formule 1 : en décembre 2005, il pilote une Renault R25 lors d'essais officiels, une récompense pour son titre en Formule Renault V6.

Ce roulage lui permet d'intégrer le paddock de la Formule 1 l'année suivante. En 2006, il signe un contrat de pilote essayeur et de troisième pilote avec l'écurie Midland F1 Racing. Tout au long de cette saison, il participe au développement de la monoplace et prend part à neuf séances d'essais libres sur divers circuits du championnat du monde.

Après cette expérience, il se tourne vers les courses d'endurance et participe en 2009 aux 24 Heures du Mans dans la catégorie reine LMP1. Au volant d'une Audi R10 TDI du Team Kolles, il se classe neuvième du classement général.

Il effectue ensuite un bref retour dans la catégorie reine de la monoplace en février 2011, date à laquelle il effectue un dernier essai en Formule 1 avec l'équipe Hispania Racing Team sur le circuit de Barcelone.

Après une pause de quatre ans dans les compétitions internationales, il fait son retour dans le championnat italien Prototype en 2015. Au volant d'une Ligier, il domine la fin de saison avec 9 victoires sur les 11 dernières courses et remporte le titre.

Enfin, pour la dernière étape de sa carrière, entre 2016 et 2018, il participe au championnat European Le Mans Series dans la catégorie LMP3, toujours au volant d'une Ligier JS P3, avant de mettre un terme à sa carrière internationale.