Levinthal ble utdannet med en ph.D. i fysikk fra University of California, Berkeley og underviste i fysikk ved University of Michigan i syv år før han flyttet til Massachusetts Institute of Technology (MIT) i 1957. I 1968 kom han til Columbia University og i 1969 ble han professor for det nyopprettede Department of Biological Sciences, der han forble til sin død av lungekreft i 1990.