Im Herbst 1943, nach dem Waffenstillstand der Regierung Badoglio, der Befreiung des abgesetzten Mussolini durch die SS und der Errichtung eines faschistischen Reststaates in Norditalien, schloss sich Levi dem antifaschistischen Widerstand, der Resistenza, an. Mit einigen Kameraden versuchte er im Oktober, sich in den Bergen des Aosta-Tals einer Partisanengruppe der liberalen Bewegung "Giustizia e Libertà" („Gerechtigkeit und Freiheit“) anzuschließen. Dem italienischen Historiker Sergio Luzzatto zufolge war Levi während dieser Zeit an der Erschießung anderer Partisanen beteiligt, was Levi selbst in seiner Autobiografie als „hässliches Geheimnis“ erwähnt. Aufgrund ihrer militärischen Unerfahrenheit wurden sie am 13. Dezember 1943 von faschistischen Milizen gefasst.