Primo Levi blev født i Torino i sommeren 1919 som søn af en ingeniør og hans hustru, der var pianist. Familien tilhørte det velhavende jødiske borgerskab. I 1921 fik Primo en lillesøster, som han forblev tæt knyttet til hele livet. De to børn voksede op i en liberal og ikke særlig religiøs familie. Primo Levi var en lille og genert men klog dreng, som klarede sig usædvanlig godt i skolen.
Levi begyndte på universitetet i 1937. Mussolinis fascistiske regerings racelove fra 1938 gjorde det vanskeligt for ham at fuldføre sine studier som kemiker, men det lykkedes, og i 1941 tog han sin afsluttende eksamen med udmærkelse. I 1942 meldte han sig ind i det illegale parti Partito d’Azione, og i september 1943 tilsluttede han sig en mindre modstandsgruppe, der opererede i de norditalienske bjerge. Gruppen af unge modstandsmænd blev dog allerede få måneder efter taget til fange uden kamp af den fascistiske milits. Under nedstigningen fra bjergene lykkedes det Levi at rive sit identitetskort i stykker og spise det og på den måde skjule sin jødiske identitet. Han frygtede imidlertid, at en indrømmelse af hans politiske aktiviteter ville føre til tortur og den sikre død, så han valgte i stedet at indrømme, at han var af jødisk herkomst under det første forhør. Han blev herefter sendt til en stor interneringslejr og derfra videre til den tyske kz-lejr Auschwitz i februar 1944.
Skæbnens ironi var, at ingen af partisanerne blev henrettet, mens alle de internerede jøder endte i Auschwitz, hvor de fleste blev sendt direkte i gaskamret ved ankomsten. Levi overlevede den første udvælgelse, fordi han var kemiker og derfor blev placeret blandt de arbejdsduelige. Det viste sig siden at være Levis held, at hans arbejdslejr var tilknyttet en kemisk fabrik, hvor Levi fik arbejde som laborant efter et halvt års hårdt fysisk arbejde: ”Alle historier, om folk der har overlevet udryddelseslejrene, er atypiske. Enhver overlevende er en undtagelse, et mirakel, et menneske der er overgået et utroligt held. Mit utrolige held var min uddannelse”. (Germaine Greer: Samtale med Primo Levi i Samtaler og interviews 1963-1987, s. 76).
Da Den Røde Hær befriede den tyske kz-lejr begyndte Levi sin hjemrejse, som skulle komme til at tage ni måneder. Hjemme i Italien blev han genforenet med sin mor og sin søster, som begge havde overlevet ved at gå under jorden. Faderen var død af kræft i 1942. Af de 650 jøder, der var med samme transport som Primo Levi, vendte kun 24 levende tilbage til Italien.
Kort tid efter sin hjemkomst fik Levi arbejde på en lakfabrik, som han senere blev leder af, og i 1946 mødte han sin kone Lucia, som han fik to børn med. Levi begyndte også hurtigt efter hjemkomsten at nedskrive sit vidnesbyrd om Auschwitz. Sideløbende med sin forfattergerning arbejdede Levi det meste af sit liv på lakfabrikken. Først efter 30 års tro tjeneste besluttede han sig for at hellige sig livet som forfatter.
Primo Levi døde 67 år gammel efter et fald ned ad en trappe i sit hus i Torino, få måneder efter sin sidste bogs udgivelse. Der menes at være tale om et selvmord. Mange har koblet Levis selvmord sammen med tesen om, at Auschwitz i sidste ende altid tager livet af sine ofre. Andre påpeger dog, at Primo Levi led af depressioner hele sit liv – også inden sin deportation.