Graduat en medicina per la Universitat de Pàdua, s’especialitzà en neurologia. Féu recerca postdoctoral a l’Institut de Fisiologia de Pisa, on el 1975 fou nomenat professor titular. L’any 2002 esdevingué director del departament de neurociència de la Universitat de Parma. Les seves investigacions s’han centrat en el sistema de les neurones mirall, que tindrien una gran importància en l’adquisició del llenguatge i en l’explicació de trastorns com ara l’autisme.
President de la Societat Europea del Cervell i la Conducta i de la Societat Italiana de Neurociència, és membre estranger associat de l’Acadèmia Francesa de Ciències i de l’Acadèmia Americana d’Arts i Ciències.
Entre els guardons rebuts hom pot destacar el premi Golgi i el premi Príncipe de Asturias de les ciències (2011), compartit amb Arturo Álvarez-Buylla i Joseph Altman.