Rita Levi-Montalcini sa narodila 22. apríla 1909 v Turíne. Otec Adamo Levi bol elektroinžinier a matematik, matka Adele Montalcini bola maliarka. Obaja pochádzali z rodín sefardských Židov, ktoré sa do Turína prisťahovali na prelome 19. a 20. storočia.

Túžila byť spisovateľkou
Rita mala sestru-dvojča Paolu, ktorá po matke zdedila výtvarné nadanie a stala sa úspešnou výtvarníčkou, staršiu sestru Annu Mariu a brata Luigiho, významného architekta a dizajnéra. Zaujímavé je, že všetci súrodenci prijali priezvisko otca i matky. Dospievajúca Rita si predstavovala svoju budúcnosť ako spisovateľka, jej veľkým vzorom bola Selma Lagerlöf.

Keď však blízky rodinný priateľ zomrel na rakovinu žalúdka, rozhodla sa študovať medicínu. Otec ju odhováral, lebo bol presvedčený, že povolanie lekárky nie je vhodné pre ženu a negatívne ovplyvňuje jej rolu manželky a matky, ale nakoniec zmenil názor.