Rita Levi Montalcini nasce a Torino il 22 aprile 1909 da Adamo Levi, un ingegnere elettronico, ed Adele Montalcini, pittrice.
All'età di venti anni Rita Levi Montalcini si rese conto che il ruolo femminile concepito dal padre non le si addiceva, e così gli chiese il permesso di tentare una carriera professionale: in otto mesi riuscì a terminare gli studi superiori e ad iscriversi alla facoltà di Medicina presso l'Università di Torino. Due suoi amici e colleghi universitari - Salvador Luria e Renato Dulbecco - ricevettero il Premio Nobel rispettivamente 17 e 11 anni prima che lo stesso riconoscimento fosse assegnato alla Montalcini: tutti e tre furono allievi del famoso istologo Giuseppe Levi, al quale va il merito di aver sempre seguito un rigorosissimo approccio ai problemi scientifici.
Nel 1936 Rita Levi Montalcini si laurea con il massimo dei voti; subito dopo inizia a frequentare un corso di specializzazione in neurologia e psichiatria. Sempre nel '36, Mussolini pubblica il "Manifesto per la difesa della razza", sottoscritto da dieci "scienziati" italiani: i suoi effetti immediati furono lo sbarramento delle carriere accademiche e professionali ai cittadini italiani di "razza non ariana". Dopo un breve periodo passato a Bruxelles come ospite presso un istituto neurologico, la Montalcini torna a Torino durante l'invasione del Belgio da parte dell'esercito tedesco (primavera del 1940) e raggiunge la famiglia: le uniche alternative possibili erano emigrare negli Stati Uniti o dedicarsi ad attività che richiedessero la minima quantità di contatti con il "mondo ariano" nel quale vivevano. La famiglia Levi opta per la seconda alternativa, e Rita Levi Montalcini installa una piccola unità di ricerca nella sua stanza, ispirata da un articolo di Viktor Hamburger del 1934. Il suo progetto ha inizio quando Giuseppe Levi - anch'esso costretto a lasciare Bruxelles - torna a Torino.
Il pesante bombardamento della città da parte degli Alleati nel 1941, costringe la famiglia Levi ad abbandonare la città e trasferirsi in campagna. La situazione precipita nel '43, quando l'invasione dell'Italia da parte dell'esercito tedesco rende necessario nascondersi a Firenze, dove la montalcini stringe diversi contatti con i partigiani del Partito di Azione. Nel '44 gli Alleati costringono i tedeschi a lasciare Firenze; la Montalcini diviene medico presso il Quartier Generale anglo-americano e viene assegnata al campo dei rifugiati di guerra provenienti dal Nord Italia.
Terminata la guerra, torna a Torino con la famiglia. Nel '47 viene invitata a St Louis dal professor Viktor Hamburger per ripetere gli esperimenti sugli embrioni di gallina iniziati molti anni prima. Nel '56 diviene professore associato nell'Università della città americana e, due anni dopo, professore ordinario (fino al 1977). Nel 1962 crea una équipe di ricerca a Roma e, dal '69 al '78, ricopre la carica di direttore presso l'Istituto di Biologia Cellulare del C.N.R. di Roma. Prima del ritiro, nel 1979, diventa Guest professor presso lo stesso istituto.
Nel 1986 le viene assegnato il Premio Nobel per la Medicina insieme al biochimico americano Stanley Cohen (suo studente) per le ricerche volte alla comprensione dei fattori della crescita nello sviluppo umano. In particolare, Rita Levi Montalcini viene citata per la scoperta del fattore che promuove la crescita delle cellule nel sistema nervoso periferico.