Nació en Turín, Italia, el 22 de abril de 1909. Su familia era judía de clase media-alta. De niña era curiosa, observadora y con una voluntad inquebrantable.
Estudió medicina en la universidad y se especializó en neurología y psiquiatría, aunque destacó por la primera que es la ciencia que se encarga del estudio diagnóstico y tratamiento de las enfermedades que afectan al sistema nervioso. Esto es importante porque nos puede ayudar a detectar enfermedades.
Durante la Segunda Guerra Mundial, debido a la situación de los judíos en Italia, tuvieron que huir en varias ocasiones y, finalmente, lograron sobrevivir gracias a la ayuda de amigos no judíos. Durante este tiempo, hizo sus primeros estudios en un laboratorio improvisado, usando embriones de pollo para ver cómo era el sistema nervioso.
Tras la guerra, junto con su colega, Stanley Cohen aislaron una sustancia que era una proteína que ayuda al desarrollo de las neuronas y por ello recibieron el Premio Nobel de Medicina. Además, Rita demostró que esa proteína favorecía el crecimiento de las fibras nerviosas y protegía a las neuronas de su muerte.
Sus grandes descubrimientos han sido esenciales en el tratamiento de enfermedades que afectan gravemente al sistema nervioso, como el Alzheimer y el Parkinson, al comprender cómo crecen y cómo podemos proteger las neuronas.
Por otra parte, creó la Fundación Rita Levi-Montalcini Onlus, que se dedicaba a dar formación a mujeres jóvenes en África, con el objetivo de promover la igualdad de oportunidades.
Falleció a los 103 años el 30 de diciembre de 2012 en Roma, siendo una de las senadoras más longevas y queridas en Italia.