w latach 1956–1977 była profesorem tej uczelni. Kierowała instytutem neurobiologii przy Consiglio Nazionale delle Ricerche w Rzymie. Została przyjęta w poczet m.in. Papieskiej Akademii Nauk.
Prowadziła badania dotyczące wzrostu komórek nerwowych. Później zajęła się wzrostem unerwienia czuciowego w zarodkach kury, którym przeszczepiono mysi nowotwór. Odkryła tzw. czynnik wzrostu nerwu (NGF), pobudzający wzrost komórek nerwowych. W 1986, za odkrycia o istotnym znaczeniu dla zrozumienia mechanizmów regulujących wzrost komórek i narządów zarówno zwierząt oraz ludzi, otrzymała Nagrodę Nobla (wspólnie ze Stanleyem Cohenem). W 1987 wyróżniona National Medal of Science. Była autorką publikacji naukowych, m.in. In Praise of Imperfection (1988).
1 sierpnia 2001 prezydent Carlo Azeglio Ciampi w uznaniu zasług mianował ją dożywotnim senatorem. Rita Levi-Montalcini zasiadała w Senacie XIV, a następnie XV i XVI kadencji, w trakcie której w 2012 zmarła.
Odznaczenia W 1987 została odznaczona Krzyżem Wielkim Orderu Zasługi Republiki Włoskiej.