Rita Levi-Montalcini læste under histologen Giuseppe Levi (Natalia Ginzburgs far). Blandt hendes studiekammerater var to andre fremtidige Nobelpris-modtagere, Salvador Luria og Renato Dulbecco. I 1936 blev hun kandidat i medicin og kirurgi med topkarakterer, og bagefter specialiserede hun sig i neurologi og psykiatri. På grund af racelovene i 1938 blev hun tvunget til at følge Giuseppe Levi i eksil i Belgien, skønt hun endnu ikke var færdig med sin specialisering. Hun var indtil kort før tyskernes invasion af Belgien gæstestuderende på neurologisk institut på Bruxelles Frie Universitet.