Es graduà a Florència el 1929. El 1931 anà al Cavendish Laboratory de Cambridge i, amb Patrick Maynard Stuart Blackett, dissenyà i construí una cambra de boira, amb la qual féu recerques sobre raigs còsmics que permeteren descobrir el positró. De nou a Florència (1934) marxà poc després al Brasil, en desacord amb el règim feixista, i posteriorment (1944) a Bristol, on contribuí a desenvolupar la tècnica de les emissions nuclears, que permeté descobrir els mesons π. Tornà a Itàlia el 1950, on fou professor a Milà i a Gènova. El seu pare Augusto Raffaele Occhialini (Fossombrone 1878 — Gènova 1951), també físic, fou professor a Sàsser, Siena i Gènova i treballà en el camp de l’electrologia i l’espectroscòpia.