Nacida en Turín en el año 1909 junto a su hermana gemela Paola, fue la menor de los cuatro hijos del matrimonio de Adamo Levi, ingeniero eléctrico y de Adele Montalcini, una pintora de gran talento. Proveniente de una familia sefardí tradicional, su padre le inculcaba que no estudiara, que se preparara para ser buena madre y esposa, pero ella hizo caso omiso a estas peticiones y para costearse sus estudios comenzó a trabajar en una panadería.
En el año 1930 se matricula en la Facultad de Medicina de Turín y debido a su brillantez en el año 1936 recibe su licenciatura con los más altos honores. Trabajaba como ayudante de un famoso histólogo hasta que en el año 1938, Benito Mussolini a través de un manifiesto prohibió a toda persona judía acceder a alguna carrera académica o profesional. Nunca se casó, confiesa que decidió no casarse cuando era adolescente ya que nunca habría obedecido a un hombre, como su madre a su padre.
Durante el transcurso de la Segunda Guerra Mundial, montó un laboratorio genético en el dormitorio de su propio hogar, donde estudiaba el crecimiento de las fibras nerviosas en embriones de pollo, lo que le sirvió como base para futuras investigaciones.
Corría el año 1946 y fue invitada por la Universidad Washington en San Luis para llevar adelante una investigación bajo la supervisión del profesor Viktor Hamburger. Aunque en un principio la estancia debía de ser por un solo semestre, se quedó 30 años. Fue allí donde hizo su trabajo de mayor importancia, sobre los factores de crecimiento, por el que en un futuro le darían el premio Nóbel. Se hizo profesora en 1958 y en 1962 estableció una unidad de investigación en Roma teniendo así que dividir su tiempo entre Roma y Saint Louis. En el año 1999 fue nombrada Embajadora de buena voluntad por Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO).
El 1 de agosto de 2001, Rita Levi es designada senadora vitalicia por el presidente Carlo Azeglio Ciampi.
Estudiosa e investigadora incansable, en el 2009, a los cien años de edad confirma su tesis de que el hemisferio derecho del cerebro está menos desarrollado que el izquierdo.
En uno de los últimos reportajes que le hicieron le preguntaron si alguna vez le importó la gloria y respondió que para ella la medicina era la forma de ayudar a los que no tenían la suerte de vivir en una familia de alto nivel cultural como la suya. Esa línea recta no ha cambiado. La actividad científica y la social son la misma cosa. La ayuda a las mujeres africanas y la medicina son lo mismo, expresa.
A los 103 años manifestó que le gustaría vivir el tiempo que funcione el cerebro, dice que cuando por factores químicos pierda la capacidad de pensar, dejará dicho en su testamento biológico que quiere ser ayudada a dejar la vida con dignidad. Agrega que lo importante es vivir con serenidad, y pensar siempre con el hemisferio izquierdo, no con el derecho. Porque ése lleva a la Shoah, a la tragedia y a la miseria. Y puede suponer la extinción de la especie humana.
Para su último cumpleaños no quiso demasiados agasajos, confesó que comía como un pajarito y que mantenía intacto su interés por las noticias políticas y de la vida del país.
No le temía a la muerte, su pensamiento era que es algo natural que llegaría un día pero no matará lo que hizo, sólo acabará con su cuerpo. El día 30 de diciembre de 2012 falleció en Roma y sus palabras fueron muy ciertas, siempre será recordada por lo que realizó a lo largo de sus 103 años de vida.