Nasce a Torino nella casa in cui abiterà per tutta la vita.
Nell'infanzia è piuttosto cagionevole di salute e dovrà essere seguito con lezioni private alla fine delle scuole elementari. Frequenterà il Ginnasio-Liceo D'Azeglio e avrà per alcuni mesi come insegnante di italiano Cesare Pavese. Particolarmente interessato alla chimica, poco alle materie umanistiche. Terminato il liceo si iscrive alla facoltà di chimica nel 1937. Emanate nel 1938 le leggi razziali, riesce a proseguire gli studi universitari e inizia a frequentare circoli antifascisti. Nel 1942 va a Milano e lavora per la Wander, fabbrica svizzera di medicinali, dove fa ricerche di nuovi medicinali per il diabete. Qui entra in contatto con militanti antifascisti e si iscrive al Partito d'Azione clandestino. Nel '43, caduto il governo fascista è attivo come collegamento fra i partiti del futuro Cln. Dopo l'8 settembre si unisce a un gruppo partigiano operante in Val d'Aosta.  Il 13 dicembre è arrestato a Brusson con due altri compagni e viene avviato al campo di concentramento di Carpi-Fòssoli, il campo passa nel '44 in mano dei tedeschi e Levi è mandato ad Auschwitz. Dopo la liberazione da Auschwitz rimane qualche tempo a Katowice in un campo sovietico di transito e poi inizia il suo lungo viaggio di ritorno in Italia. Nel dopoguerra lavora presso una fabbrica di vernici ad Avigliana vicino a Torino, si sposa con Lucia Morpurgo, nel 1948 nasce la figlia Lisa Lorenza e nel '57 il figlio Renzo. Inizia a collaborare con la casa editrice Einaudi. Dopo anni di insistenze e di bocciature nel 1958 la Einaudi pubblica Se questo è un uomo (scritto nel 1947), testimonianza della prigionia nei campi di concentramento nazisti e della lotta per la sopravvivenza, non solo fisica ma anche della dignità dell'uomo. Inizia a scrivere La tregua (pubblicato nel '63 e vincitore del Premio Campiello), in cui offre una descrizione del ritorno alla vita dopo quella atroce esperienza. Seguono le altre opere: Storie naturali (1966), Il sistema periodico (1975), La chiave a stella (1978, Premio Strega e Viareggio). Il sccesso di Primo Levi è ormai internazionale. Nel '75 va in pensione e lascia l'attività di chimico a cui ha dedicato quasi trent'anni di vita.
Ritorna ai temi della guerra e dell'olocausto in Se non ora quando? (1982, Premio Campiello), svincolato però da riferimenti autobiografici.
Autore anche di raccolte di poesia come Osterie di Brema (1975) e Ad ora incerta (1984), di saggi come L'altrui mestiere (1985), Racconti e saggi (1986) e I sommersi e i salvati (1986). Recentemente Einaudi ripubblicato l'edizione completa delle sue opere, nel novembre 2016.
L'11 aprile 1987 muore suicida nella sua casa di Torino.