Mario Vallotto inizia a gareggiare su strada con la Coin di Mestre evidenziando subito grandi doti di passista. Successivamente passa alla U.C. Vittorio Veneto e quindi alla Ciclisti Padovani correndo sia su strada che su pista. Con quest'ultima squadra si aggiudica nel 1958, nel 1959 e nel 1960 il titolo dilettanti inseguimento a squadre. Grande passista, ottimo stilista ed inseguitore di qualità, nel 1959 è secondo al mondiale di Amsterdam, battuto in finale dal fenomenale tedesco Rudi Altig. Per lui non mancano le soddisfazioni anche su strada, tra l'altro, nel 1958, vince il G.P. Industria e Commercio di San Vendemiano, ma Vallotto è soprattutto uno specialista nell'inseguimento a squadre e, in questa specialità, si aggiudica l'oro ai Giochi del Mediterraneo di Beirut 1959 e viene convocato per le Olimpiadi di Roma. La squadra italiana ottiene il record mondiale della specialità in 4'27"6 e si presenta ai Giochi da favorita. In finale con i compagni Arienti, Testa e Vigna, si aggiudica l'oro con il tempo di 4'39"92, dopo aver fatto segnare in semifinale 4'28"88 nuovo record olimpico. L'anno dopo passa professionista correndo su strada prima con la Vov quindi con la Ignis, ma senza ottenere risultati significativi.