Estudià medicina a la Universitat de Torí, on entrà en contacte amb Salvador Luria i Rita Levi-Montalcini, que l’influïren molt en el seu decantament pels estudis de citologia i amb els quals col·laborà. Es graduà el 1936. Mobilitzat en 1936-42, fou ferit al front rus i posteriorment s’uní a la Resistència.
Després de la Segona Guerra Mundial, retornà a la recerca i a la docència i el 1947, amb Rita Levi-Montalcini, anà als EUA. Després de dos anys al laboratori de Luria a Bloomington (Indiana), passà a l’Institut de Tecnologia de Califòrnia (1949), on el 1955 isolà la primera cèl·lula mutant del virus de la poliomielitis, descobriment que tingué una gran importància en l’obtenció de la vacuna per Albert Sabin.
El 1958 començà a investigar sobre els virus oncògens, i mostrà com la transferència de virus cancerígens a la cèl·lula té lloc mitjançant l’enzim de la transcriptasa inversa, el qual replica el genoma viral de l’RNA a l’ADN de la cèl·lula. Per aquesta aportació el 1964 rebé el premi Lasker (compartit amb Harry Rubin) i el 1975 el premi Nobel de fisiologia i medicina juntament amb els seus deixebles H. Temin i D. Baltimore.
Posteriorment treballà successivament al Salk Institute for Biological Studies de La Jolla, California (1962-72), al Cancer Research Institute de Londres (1972-77) i finalment al Salk Institute, que presidí del 1988 al 1992. L’any 1986 fou un dels impulsors de l’Human Genome Project i el 1993 retornà a Itàlia, on fins el 1997 dirigí l’Institut de Tecnologia Biomèdica. Fins poc abans de la seva mort les seves recerques se centraren en el càncer de mama.