イタリアのティヴォリに生まれた。両親は共にセファルディム。ローマ大学で工学を学んだが、1927年に物理学に転じ、フェルミのもとで学んだ。ドイツやオランダでシュテルンやゼーマンと働いた後、1932年にローマ大学の助教授になった。1934-35年フェルミと協力して中性子反応の先駆的研究を行なった。1936年から1938年までパレルモ大学の物理学研究所の所長を務めた。ローレンス・バークレー国立研究所を訪れた後、1937年、ペリエ（C.Perrier）とともに、モリブデンにサイクロトロンで加速した重陽子を照射し、最初の人工元素としてテクネチウムをつくりだした。テクネチウムには安定な核種は存在せず、放射性元素である。1938年、セグレがカリフォルニアにいる時、ムッソリーニ政権はユダヤ人を大学から追放する法律を成立させた。ユダヤ人のセグレはアメリカに残った（父ジュゼッペは戦争を生き延びたが、母アメリアはナチスに逮捕されて1943年にアウシュヴィッツで殺害された）。カリフォルニア大学に講師の職を得た。カリフォルニア大学でのアスタチンとプルトニウム239の発見に貢献した。1943年から1946年までロスアラモス国立研究所でマンハッタン計画のグループ・リーダーとして働いた。1944年にアメリカに市民権を得、コロンビア大学、イリノイ大学等で教鞭を執った。1946年にカルフォルニア大学バークレー校に戻り物理学教授及び科学史教授として1972年まで務めた。この間、1955年にチェンバレンらと共に反陽子を発見し、1959年ノーベル物理学賞を受けた。1974年にローマ大学に戻ると原子核物理学の教授になったが定年のため一年の任期だった。 1989年、カリフォルニア・ラファイエットの自宅で心臓発作により死去。ラファイエットの墓地に埋葬された。
構体は601系に準じた全金属製構造で、台車中心間隔（ボギーセンター間隔）は13,600mmと601系と同一であるが、701系・801系においては台枠を枕梁中心より外方に前後各2.5mmずつ延長し、先頭車・中間車とも車体長19,505mmとされた。一方で連結面間隔については前後各2.5mmずつ縮小したことから、全長は20,000mmで変化はない。前面形状は非貫通構造の2枚窓構成で、501系電車（初代）より採用された「湘南型」デザインを踏襲しているが、701系においては従来前照灯設置箇所であった前面幕板中央部に行先表示器を新設し、行先表示器の左右には後部標識灯および通過標識灯を単一のケースに収めたものを設置、前照灯は白熱灯 (100W) タイプのものを前面腰部に左右1灯ずつ設置し、前照灯の周囲にはステンレス製の飾り板を配するなど、大幅な設計変更が加えられた。701系において確立されたこのデザインは801系にも受け継がれたほか、1976年（昭和51年）に新製された旧101系最終増備グループまで計232両にわたって踏襲された。なお、前照灯については701系749編成より照度を高めたシールドビーム (150W) 仕様に改良されたほか、落成当初より前面腰板部の鋼板を厚板化し前面強化が実施された。また、701系の一部編成については落成当初行先表示幕に種別および行先を併記したタイプが採用されたが、後年他編成と同様に行先のみを単独表示する幕への交換された。側面形状は従来車同様に3扉構造ながら、451系電車以降601系まで採用された側窓2枚を1組としてユニット窓風の見付とした構造を改め、各々の側窓が独立した構造に変更された。窓部の設計変更に伴って各部寸法も変更され、側窓幅は800mmで変化はないものの、扉間寸法は5,150mm（601系は4,970mm）、車端部寸法は2,652.5mm（同2,830mm）とされた。客用扉は1,300mm幅の両開扉で、551系において採用された、扉窓を金属枠固定支持方式としたアルミ合金製のハニカム構造の扉を701系・801系とも装備する。窓配置は先頭車がd1(1)D(1)4(1)D(1)4(1)D(1)2（d：乗務員扉、D：客用扉、数値は側窓の枚数、カッコ内は戸袋窓）、中間車が2(1)D(1)4(1)D(1)4(1)D(1)2である。側面乗務員扉脇の手すりについては、701系クハ1701 - 1748 においては従来車同様に露出形状とし、車体全幅は2,930mmであったが、クハ1749以降においては埋込形状に設計変更され、全幅も2,865mmに縮小された。また、雨樋位置については701系が従来車と同様に側面幕板部に設置したのに対し、801系においては自動洗車機導入に伴って清掃効率向上のため雨樋位置が上方に移設され、張り上げ屋根風の見付に変化した。車体塗装は701系・801系とも従来車と同様にディープラズベリーとトニーベージュの二色塗りのいわゆる「赤電」塗装を採用したが、両系列においては前面にステンレス製の飾り板を設置した関係で、前面腰板部の塗り分け形状が従来車とは異なる。車内照明は蛍光灯式で、直流電源の701系はDC20W仕様の蛍光灯を1両当たり22本（先頭車）もしくは24本（中間車）、交流電源の801系はAC40W仕様の蛍光灯を1両当たり14本（先頭車）もしくは16本（中間車）それぞれ装備する。車内送風機は扇風機を採用、先頭車に7台・中間車に8台それぞれ装備し、扇風機の直上には中間電動車のパンタグラフ搭載位置を除いてグローブ形ベンチレーターを搭載する。