Levi-Civita vokste opp i Padova hvor han også gjennomførte sin normale skolegang. Han begynte å studere matematikk i 1890 ved universitetet i samme by og gjorde seg ferdig fire år senere under veiledning av Gregorio Ricci Curbastro. Etter en midlertidig jobb i Pavia, ble han i 1898 professor ved Universitetet i Padova i en alder av femogtyve år med ansvar for undervisningen i analytisk mekanikk. I de følgende årene der utarbeidet han sine viktigste, vitenskapelige bidrag og ble høyst anerkjent også utenfor Italias grenser. Dette var en medvirkende årsak til at han i 1918 ble ansatt ved Universitetet i Roma. I 1930 ble han innvalgt som utenlandsk medlem i Royal Society i London og ble invitert til flere opphold i utlandet. På grunn av sin jødiske bakgrunn kom han etter hvert i konflikt med det fascistiske styret og måtte i 1938 forlate sin stilling. Han døde som en nedtrykt mann tre år senere.