Hamiltons Mercedes var 0,264 sekunder snabbare än Vettel, med Rosberg 0,035seks ytterligare driv.
Williams Valtteri Bottas och Felipe Massa och Pastor Maldonado's Lotus lämnade Ferrari's Kimi Raikkonen i sjunde.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
McLaren's Fernando Alonso och Jenson Button var på oväntat höga 13:e och 14:e platser när andra kämpade.
Liksom McLaren kommer Red Bull och Toro Rosso att straffas för att de använder mer än deras tillåtna antal motorer och det återstår att se i vilken ordning dessa kommer att lämna de sex förarna längst bak i nätet.
Kvalificering kommer igång klockan 13:00 BST, med täckning på BBC Sport hemsida från 11:30 och på BBC Radio 5 live från 13:00.
Det verkar inte finnas något tvivel om vem som kommer att vara vid fronten efter en annan ohygglig prestation från Hamilton.
Världsmästaren har hittills sett oåtkomlig ut i helgen och verkar vara en nästan säker insats för sin 11: e påle i 12 tävlingar den här säsongen.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Efter fredagsträningen medgav Rosberg att hans lagkamrat hade kanten och att han behövde räkna ut hur man skulle matcha Britons tempo genom de två sista hörnen i Ascari och Parabolica.
Tysken satte faktiskt den snabbaste tiden i den sista delen av varvet, som omfattar de två krävande snabba hörn, men Hamilton kantade honom denna gång i de två chikanerna och Lesmo hörnen och förblev lockande utom räckhåll.
Istället blev Rosberg förvånansvärt slagen av sin landsman Vettel, som efter en svår fredag visade en förbättring i form när Ferrari ordförande Sergio Marchionne fick sällskap av Piero Ferrari - son till grundaren Enzo - tittar från Ferrari garage.
Om de röda bilarna kan upprätthålla den takten när Mercedes väl vänder upp sina motorer för kvalificering är fortfarande en annan fråga.
Ferrari möter hårt motstånd från Mercedes kundteam - Force India, Williams och Lotus för platser bakom världsmästare på framsidan av nätet.
Utsikterna för två stora före detta mästare, Red Bull och McLaren, är ganska dystra.
Båda lagen har motorpartners i Renault och Honda som misslyckas i sin kamp för att matcha Mercedes, som inte har tillräckligt med tillförlitlighet och prestanda.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Och både - liksom med Renault kund Toro Rosso, Red Bull junior team - tar straff för att byta motordelar.
Red Bull's Daniel Ricciardo använde en helt ny motor som skulle lägga till 25 rutnät positioner värde av straff han redan hade intjänat, men det misslyckades under sessionen, lag chef Christian Horner säger problemet var "terminal".
Tidigare försökte Horner skämta om situationen och sade att konkurrensen om vem som kan ta flest straff var närmare än den på framsidan av nätet.
Renault förnekade Horners påstående att en utvecklingsmotor kanske inte dyker upp i år. Horner sa att om det verkade så skulle det vara värt bara 0,15seks per varv.
Det franska företaget anses vara i slutskedet av slutförandet av ett avtal för att backa upp kontrollen över Lotus-teamet, som företaget sålde till investeringskoncernen Genii Capital 2009.
Resultat av praktiken
Italiensk Grand Prix täckning
Lewis Hamilton satte takten i sista italienska Grand Prix praktiken som lagkamrat Nico Rosberg var pippad av Ferrari's Sebastian Vettel.