Tilbake i Italia tok Levi igjen jobb som kjemiker, samtidig som han begynte å skrive på fritiden. Han giftet seg med Lucia Morpurgo i 1948 og de fikk datteren Lisa, og senere sønnen Renzo. Etter 26 år på malingfabrikken SIVA trappet han i 1974 ned arbeidet der for å bruke mer tid på skrivingen. Året etter kom («Det periodiske system», på norsk i 2019) en samling hovedsakelig selvbiografiske noveller, der hver novelle på en eller annen måte er knyttet til et grunnstoff. Britiske Royal Institution har beskrevet den som den beste naturvitenskapsboken noengang skrevet.