Основные научные работы Леви-Монтальчини посвящены проблеме роста и дифференциации нервных клеток. В 1951 году она вместе со Стэнли Коэном во время экспериментов Рита Леви-Монтальчини обнаружила феномен злокачественного перерождения и последующего бурного развития симпатических нервных клеток в результате пересадки раковой опухоли в куриный зародыш. После этого ученые выдвинули гипотезу о наличии в раковых клетках вещества, стимулирующего рост нервной ткани («фактор роста»), и экспериментально ее доказали. Это открытие произвело переворот в нейробиологии.
В 1986 году Леви-Монтальчини совместно с Коэном была присуждена Нобелевская премия по медицине. Он является членом многих научных академий мира, стала первой женщиной, принятой в Папскую академию наук.
В последние годы Рита занимается общественной деятельностью, и даже была автором текста одной из песен, которая номинировалась для участия в музыкальном конкурсе Сан-Ремо. За несколько дней до юбилея в президентском Квиринальском дворце в Риме состоялся прием в честь Леви-Монтальчини. «Для меня невероятная удача быть среди живых. Тело может умереть, но остаются послания, которые мы отправляем при жизни. Мое послание таково: верьте в истинные ценности!» - заявила на приеме Леви-Монтальчини.