В молодости Кастельнуово переехал в Милан, где он начал работать торговым агентом и поступил в актёрскую школу при театре «Пикколо». В 1957 году он дебютировал в роли мима в детском телевизионном шоу телерадиокомпании RAI «Zurli il mago del giovedì».
В 1959 году Кастельнуово впервые снялся в кино: он сыграл небольшую роль в детективе «Проклятая путаница». Впоследствии он продолжал играть второстепенные роли. В 1962 году участвовал в американском телевизионном шоу «Walt Disney anthology television series», гастролировавшем в Италии. В шоу он появился вместе с Аннетт Фуничелло в двух эпизодах мини-фильма «Escapade in Florence», в котором пел, играл на гитаре и добавил итальянские стихи к весёлой тарантелле «Dream Boy».
В 1964 году Кастельнуово сыграл главную роль в фильме «Шербурские зонтики», принёсшую ему международную известность. Партнёршей по фильму была Катрин Денёв. Фильм был номинирован на Премию «Оскар» за лучший фильм на иностранном языке и получил Золотую пальмовую ветвь на Каннском кинофестивале.
После провала в прокате фильмов, в которых Кастельнуово сыграл главные роли (франко-итальянская драма «Новый мир» и американский вестерн «The Reward»), он продолжил карьеру в Италии. В 1967 году Кастельнуово приобрёл известность в Италии, благодаря сыгранной им роли Ренцо в телевизионном мини-сериале «I promessi sposi». В 1969 году Кастельнуово сыграл мексиканского революционера в спагетти-вестерне «The Five Man Army» и главную роль в драме «Camille 2000».
В дальнейшем большую часть карьеры посвятил съёмкам в европейских телевизионных сериалах. На протяжении всей карьеры продолжал выступать на итальянской театральной сцене.
