Рита родилась в апреле 1909 года в Турине. Ее семья принадлежала к еврейской интеллигенции. Она училась в медицинской школе Туринского университета. Правда ее отец был категорически против поступления Риты туда. В 1936 году она окончила данную школу с медицинскою степенью, а через четыре года она получила степень по психиатрии и неврологии.
Интерес к нейроэмбриологическим исследованиям у Риты был пробужден известным гистологом и эмбриологом Джузеппе Леви. Во время второй мировой войны правительство Италии запретило проводить исследования в университете Турина. Тогда Рита проводила исследования в спальне собственного дома. Когда нацисты оккупировали Северную Италию, Рите пришлось уехать во Флоренцию, где она продолжала работать в квартире. В 1944 году началось освобождение Италии. В этот момент Рита начала предлагать свои услуги медика американским военным властям в лагере для итальянских беженцев.
В 1945 году она приступила к работе ассистента в Институте анатомии Туринского университета. В это время она увлекалась работами известного американского нейробиолога и эмбриолога В. Хамбургера. Сам ученый скептически относился к идее Риты о гибели нервных клеток, как о запрограммированном действии и необходимом для нормального развития нервной системы. По приглашению Хамбургера Рита переезжает в Сент-Луис, где становится научным сотрудником зоологического отделения Вашингтонского университета. Вместе с ним она начала проводить эксперименты по пересадке клеток опухоли мыши куриному эмбриону и заметили, что нервные клетки эмбриона прорастают в ткань опухоли. Напрашивался вывод, что рост нервных клеток стимулирует какое-то вещество, содержащееся в опухоли. Однако это надо было как-то доказать.
Рита поехала в Рио-де-Жанейро к подруге Грете Мейер, которая помогла ей освоить технику культуры ткани. Путем исследований Ритой было доказано, что стимулирующее вещество существует. Рита назвала его ФРНТ, то есть фактором роста нервной ткани. В 1953 году работами Риты заинтересовался ученый Стенли Коэн. Работая вместе с ним, Рита установила, что ФРНТ – это белок. Коэн смог получить его очищенный вариант, а также он получил его антитела. Опыты еще показывали, что больше всего ФРНТ находится в змеином яде и слюнных выделениях взрослых самцов мышей.
В 1951 году Рита стала адъюкт-профессором, а в 1958 году – профессором Вашингтонского университета. В 1960-е годы Леви-Мотальчини приехала в Италию. Там она вместе с Пьетро Анжелетти организовала лабораторию в Высшем институте здоровья Рима. Замет они создали лабораторию клеточной биологии в Итальянском национальном исследовательском совете там же. В 1980-е годы выяснилось, что рак может быть вызван нарушениями в регуляции ФРНТ. Фактор роста нервных клеток начали использовать для восстановления поврежденных нервов. В 1986 году Коэн и Леви-Мотальчини получили Нобелевскую премию. Рита имела двойное гражданство. Всю свою жизнь она отдавала все свои силы развитию науки в родной Италии. Почти все время Рита жила со своей сестрой-близнецом. Рита скончалась 30 декабря 2012 года.