Pontecorvo var sønn av en framstående jødisk forretningsmann og yngre bror av det internasjonalt anerkjente fysikeren Bruno Pontecorvo. Han studerte naturvitenskap i skolen og oppnådde en grad i kjemi ved Universitetet i Pisa. Det var der som han først kom i kontakt med politisk opposition i form av venstreorienterte studenter og forelesere. I 1938 kort etter avgangseksamen og stilt ovenfor voksende antisemitisme flyktet han till Frankrike, der han fant seg arbeid som journalist og korrespondent for de italienske avisene og .