A zsidó származása miatt üldözött emberből az ország első számú tudósa, mindenki által tisztelt emblematikus alakja lett. 1909-ben Torinóban született, ugyanitt szerzett orvosi diplomát 1936-ban. A hazájában „a sejtek asszonyának” nevezett tudós neurobiológusként kezdett dolgozni, ám 1938-ban az olasz fasiszta zsidótörvények miatt elvesztette állását. A veszély ellenére Olaszországban maradt, a hálószobájában rendezett be laboratóriumot, ahol csirkeembriók fejlődését vizsgálta.

A háború után orvosként dolgozott egy menekültközpontban. 1947-ben meghívást kapott az Egyesült Államokba. A Washington Egyetemen ismerkedett meg Stanley Cohennel, akivel 1986-ban megosztva kapott orvosi Nobel-díjat az idegnövekedési faktorok felfedezéséért. 1987-ben átvehette a Nemzeti Tudományos Érmet, ez a tudományos világ legnagyobb díja az Egyesült Államokban. Ő volt a vatikáni pápai tudományos akadémia első nő tagja. 2001-ben az olasz szenátus örökös tagjának nevezték ki. „Élesebb az elmém százévesen – a tapasztalatoknak köszönhetően –, mint amilyen húszéves koromban volt” – mondta 2009-ben.

Sohasem ment férjhez, mivel olyan témával foglalkozott, ami életre szóló élményt jelentett számára. Fontosnak tartotta az általa létrehozott, Afrikában működő Levi-Montalcini Alapítványt. Utolsó napjaiban is dolgozott. Unokahúga, Piera Levi-Montalcini szerint békésen hunyt el, „mint aki csak lepihent egy ebéd után”.