I suoi primi studi (degli anni 1938-1944) furono dedicati ai meccanismi di formazione del sistema nervoso dei vertebrati. Nel 1947 accetta l'invito a proseguire le sue ricerche al dipartimento di Zoologia della Washington University (nello stato Usa del Missouri), dove rimane fino al 1977. Nel 1951-1952 scopre il fattore di crescitanervoso noto come Ngf (Nerve Growth Factor), che gioca un ruolo essenziale nella crescita e differenziazione delle cellule nervose sensoriali e simpatiche. Per circa 30 anni prosegue le ricerche su questa molecola proteica e sul suo meccanismo d'azione, per le quali nel 1986 viene insignita del Premio Nobel per la medicina insieme allo statunitense Stanley Cohen. Nella motivazione del riconoscimento si legge: "La scoperta del Ngf all'inizio degli anni '50 è un esempio affascinante di come un osservatore acuto possa estrarre ipotesi valide da un apparente caos. In precedenza, i neurobiologi non avevano idea di quali processi intervenissero nella corretta innervazione degli organi e tessuti dell'organismo". Dal 1961 al 1969 dirige il Centro di ricerche di Neurobiologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) di Roma in collaborazione con l'Istituto di Biologia della Washington University, e dal 1969 al 1979 il laboratorio di Biologia cellulare. Dopo essersi ritirata da questo incarico "per raggiunti limiti d'età" continua le sue ricerche come ricercatore e guest professor dal 1979 al 1989, e dal 1989 al 1995 lavora presso l'Istituto di neurobiologia del Cnr con la qualifica di superesperto. Le sue indagini si concentrano sullo spettro di azione del Ngf, utilizzando tecniche sempre più sofisticate. Studi recenti hanno infatti dimostrato che esso ha un'attività ben più ampia di quanto si pensasse: non si limita ai neuroni sensori e simpatici, ma si estende anche alle cellule del sistema nervoso centrale, del sistema immunitario ematopoietico e alle cellule coinvolte nelle funzioni neuroendocrine.Dal 1993 al 1998 presiede l'Istituto dell'Enciclopedia Italiana. È membro delle più prestigiose accademie scientifiche internazionali, quali l'Accademia Nazionale dei Lincei, l'Accademia Pontificia, l'Accademia nazionale delle scienze detta dei XL, la National Academy of Sciences statunitense e la Royal Society. Viene nominata senatore a vita dal presidente della Repubblica Carlo Azeglio Ciampi il 1 agosto del 2001. Riceve numerosi altri riconoscimenti: fra l'altro tre lauree ad honorem delle Università di Uppsala (Svezia),Weizmann-Rehovot (Israele) e St. Mary (Usa). Ha vinto inoltre il Premio internazionale Saint-Vincent, il Feltrinelli, e il premio "Albert Lasker" per la ricerca medica. È stata sempre molto attiva in campagne di interesse sociale, per esempio contro le mine anti-uomo o per la responsabilità degli scienziati nei confronti della società.Nel 1992 ha istituito, assieme alla sorella gemella Paola, la Fondazione Levi Montalcini, in memoria del padre, rivolta alla formazione e all'educazione dei giovani, nonchè al conferimento di Borse di studio a giovani studentesse africane a livello universitario, con l'obiettivo di creare una classe di giovani donne che svolgano un ruolo di leadership nella vita scientifica e sociale del loro paese. Sempre a favore dei giovani scienziati, nel marzo 2012 rivolge un appello al Governo Monti insieme al senatore Ignazio Marino (Pd), "affinchè non cancelli il futuro di tanti giovani ricercatori, che coltivano la speranza di poter fare ricerca in Italia. Il decretolegge su semplificazioni cancella i principi di trasparenza e merito alla base delle norme che dal 2006 hanno consentito di finanziare i progetti di ricerca dei giovani scienziati under 40 attraverso il meccanismo della peer review, la valutazione tra pari".

 

Rita Levi Montalcini è stata particolarmente sensibile anche nei confronti dei temi della difesa dell'ambiente e dello sviluppo sostenibile. Nel 1998 fonda la sezione italiana di Green Cross International, organizzazione non governativa riconosciuta dalle Nazioni Unite e presieduta da Mikhail Gorbaciov, di cui è consigliere. Significativo l'impegno sulla prevenzione e sulle conseguenze ambientali e sociali delle guerre e dei conflitti legati allo sfruttamento delle risorse naturali, con particolare riferimento alla protezione e all'accesso alle risorse idriche. Con la vittoria dell'Unione di Romano Prodi alle elezioni politiche del 2006, la Levi Montalcini, in qualità di senatrice a vita, accorda la fiducia al governo Prodi II.  Della grande scienziata vanno anche ricordate posizioni discutibili sul piano bioetico, espresse nella pubblica adesione a campagne contro la legge 40 durante e dopo il fallito referendum del 2005 per abrogare le regole sulla fecondazione artificiale in Italia, alle iniziative per la libertà di ricerca allargata all’uso degli embrioni umani, alle proposte di matrice radicale per l’adozione del testamento biologico allargato anche a scelte estreme, fino alla sottoscrizione dell’appello perché lo Stato non fermasse la procedura che mandò a morte Eluana Englaro.

Tra le numerose iniziative scientifiche, nel 2001 la Montalcini fonda un nuovo centro di ricerca sul cervello a Roma, l'Ebri (European Brain Research Institute), in collaborazione con la Fondazione S. Lucia e il Cnr. Senza scopo di lucro, l'unico obiettivo dell'Ebri è lo studio del sistema nervoso centrale, dai neuroni al cervello, sia in condizioni normali che patologiche. Lo scopo è capire le basi delle malattie neurologiche e neurodegenerative come ad esempio l'Alzheimer, con l'obiettivo di sviluppare delle cure. Il tutto partendo dalle scoperte per le quali le era stato assegnato il Premio Nobel nel 1986. E proprio in difesa dell'Ebri  la scienziata combatte una delle sue ultime battaglia, quando sull'Istituto si è abbattuta, nell'autunno del 2009, la minaccia dello sfratto, poi rientrata soprattutto per la tenacia del Premio Nobel.

In occasione del suo 100esimo compleanno, il 22 aprile del 2009, fu fittissimo il calendario di eventi promossi da istituzioni e mondo scientifico in onore della senatrice a vita e accademica dei Lincei. "A 100 anni sono ancora profondamente ottimista - dichiarò la Levi Montalcini - e penso che anche i periodi difficili, e ne ho avuti, possano portare grande progresso. La mia vita è stata un continuo sviluppo. Sono grata di essere ancora qui. Di essere ancora viva". Dal brindisi con il presidente della Repubblica Giorgio Napolitanoall'incontro con i suoi collaboratori al Tempio di Adriano, fino alla cerimonia presso l'Istituto superiore di sanità (Iss), dove le fu intitolata un'aula in cui sono custoditi i documenti di studio di tutti gli scienziati premi Nobel che hanno lavorato all'Iss, i festeggiamenti e gli auguri hanno ispirato la scienziata a lanciare un messaggio ai giovani: "Oggi alla gioventù presente posso dire che l'unico segreto che trasmetto è: mai pensare alla nostra persona, ma vedere il mondo intorno a noi, pensare alla stupenda bellezza della natura e dell'uomo. Non ho segreti, posso consigliare soltanto di essere felici di essere vivi e di poter essere d'aiuto agli altri.Tornare all'Iss a questa età, a 100 anni, mi fa rivivere quello che ho vissuto con alcuni di quelli che sono oggi qui presenti e ripercorrere molte tappe del mio percorso lunghissimo, ma senza sofferenza, senza dolore. Persino le persecuzioni contro gli ebrei non mi hanno dato fastidio, ma posso dire che la dichiarazione che la mia razza era inferiore non poteva essere un maggiore regalo: grazie a questa dichiarazione ho lavorato in camera da letto e scoperto quello che poi mi avrebbe portato al Nerve Growth Factor". Numerosi i messaggi di cordoglio per la morte di Rita Levi Omtalcini: dai suoi colleghi scienziati a quelli al Senato, dai gruppi di ricerca alle associazioni. Anche all'estero tutti i giornali hanno ricordato il Premio Nobel.  "La scomparsa di Rita Levi Montalcini rappresenta una grande perdita per la scienza italiana einternazionale", scrive l'Associazione Scienza & Vita. "Ne ricordiamo l'autorevolezza scientifica e l'instancabile impegno civile e personale per il Paese, lLa tenace dedizione allo studio e alla ricerca hanno contribuito a scrivere una pagina fondamentale della storia della medicina, culminata con l'attribuzione del premio Nobel. La sua incessante testimonianza del valore della scienza - conclude Lucio Romano - continuerà ad essere esempio e sprone per i giovani che si impegnano per una ricerca al servizio dell'uomo".