En 1947 se trasladó a la Universidad Washington de Saint Louis, Missouri, tras una invitación del bioquímico y zoólogo Viktor Hamburger, para investigar los factores de crecimiento del tejido nervioso en el embrión de pollo. Los resultados de esta investigación fueron tan buenos que Rita tuvo que posponer su regreso a Italia y permaneció en Estados Unidos hasta 1969. Allí conoció y colaboró con Stanley Cohen, y allí descubrió la existencia de un factor de crecimiento nervioso (NFG), una molécula requerida para el crecimiento y desarrollo del sistema nervioso sensorial y simpático de los vertebrados.
En 1956, Rita tomó el puesto de profesor asociado y en 1958 ya era profesor titular de la Universidad de Saint Louis, cargo que ocupó hasta su jubilación en 1977. En 1962 estableció una unidad de investigación en Roma y desde 1969 hasta 1978 fue Directora del Instituto de Biología Celular del Consejo Nacional Italiano de Investigación, en Roma.
En 1986 fue galardonada, junto al bioquímico Stanley Cohen, con el premio Nobel de Fisiología y Medicina por el descubrimiento de los factores de crecimiento nervioso; éstos fueron uno de los primeros que se descubrieron en el mundo animal. Ese mismo año había conseguido, también junto a Cohen, el premio Lasker de Investigación Médica Básica. Sus hallazgos han sido fundamentales para la compresión de los mecanismos de control que regulan el crecimiento de células y tejidos, permitiendo, a su vez, un mayor entendimiento de las causas de ciertos procesos patógenos como los defectos hereditarios y las mutaciones degenerativas.
Levi-Montalcini fue la cuarta mujer que consiguió un Premio Nobel. Publicó un trabajo autobiográfico Éloge de l'imperfection (1988). Entre sus publicaciones científicas destacan NGF: apertura di una nuova frontiera nella neurobiologia (1989) y Il tuo futuro (1994).