Nato a Lonigo, in provincia di Vicenza, Guida Alpina, partecipa alla sua prima spedizione himalayana nel 1996, tentando l’ascensione al Broad Peak (8.047 m s.l.m.) e arrivando fino a quota 7 500 m s.l.m. Nel 1998 raggiunge la sua prima vetta di oltre ottomila metri, quella del Dhaulagiri (8.167 m s.l.m.); a seguire scala il Manaslu (8.163 m s.l.m) nel 2000 e il Cho Oyu (8.201 m s.l.m.) nel 2001, in solitaria. Il 26 maggio 2003, in occasione del 50º anniversario della prima scalata dell’Everest, raggiunge da solo la vetta della montagna più alta del mondo, l’Everest (8.848 m), con l’ausilio  di ossigeno supplementare, lungo la parete Nord Est.

Nel settembre del 2004, in spedizione con la giovane Cristina Castagna, raggiunge la cima centrale dello Shisha Pangma (8.008 m s.l.m). Nel luglio del 2005 scala il Gasherbrum 2 (8.035 m s.l.m.). Il 24 maggio 2006 raggiunge la vetta del Makalu (8.463 m s.l.m.), il suo settimo Ottomila, dove porta, per tutto il trekking sino alla vetta, la fiaccola delle Olimpiadi Invernali 2006, recante un messaggio di pace di sua Santità il Dalai Lama, rivolto a tutta l’umanità. Da quell’esperienza inizia un ambizioso progetto di solidarietà rivolto ai bambini profughi tibetani. Nel 2007 partecipa alla spedizione al K2 (8.611 m s.l.m.), assieme agli alpinisti Daniele Nardi e Michele Fait e Stefano Zavka e ai giornalisti Claudio Tessarolo e Marco Mazzocchi. Il 21 luglio 2007 Mario Vielmo raggiunge la vetta della seconda montagna più alta della terra, ma perde il suo compagno Stefano Zavka, esperienza che lo tocca profondamente.

Nella primavera del 2008 tenta la scalata dell’Everest senza ossigeno supplementare, dal versante Sud, ma deve rinunciare alla vetta a soli 200 metri, a causa di un’improvvisa bufera di neve. Deve rinunciare anche alla vetta del Gasherbrum 1 (8.068 m s.l.m.) nel luglio 2011, dove era parte di una spedizione internazionale, per l’arrivo improvviso di una bufera a soli 120 metri dalla vetta. Mario Vielmo aveva anche contribuito al salvataggio di Sadik, un portatore pakistano. Il 20 maggio 2013 raggiunge la vetta del Kangchenjunga (8.586 m s.l.m), la terza montagna più alta della terra. Nella primavera 2015 tenta la salita del Lhotse (8.516 m s.l.m.) con l’alpinista Annalisa Fioretti, ma nella giornata del 25 aprile, al campo base, è testimone del drammatico terremoto e della conseguente valanga staccatasi dalla piramide del Pumori, che uccise più di venti alpinisti. Le vicende precedenti e successive al terremoto sono raccontate nel suo film “Himalayan Last Day” e nel libro “Sette punto otto” di Luca Trevisan.

Nella primavera del 2016 ritorna in Nepal e scala l’Annapurna (8.091 m s.l.m.). Il 26 maggio 2017, assieme a Nicola Bonaiti e in condizioni meteo avverse, raggiunge la vetta del Lhotse (8.516 m s.l.m.), coronando il suo undicesimo Ottomila. Il 2 agosto 2021, raggiunge il vertice del Gasherbrum I (8.068 m s.l.m.), completando il suo dodicesimo Ottomila. Tutti sono stati saliti senza l’uso di ossigeno supplementare.