Luisa Levi nasce a Torino il 4 gennaio 1898 da Ercole Raffaele e Annetta Treves. E’ su suggerimento dello zio materno, Marco Treves, medico psichiatra e fratello del più celebre Claudio, che la giovane Luisa, dopo aver frequentato il Liceo Vittorio Alfieri di Torino, si iscrive nel 1914 alla facoltà di medicina di Torino senza alcuna obiezione da parte dei genitori. Nel suo primo anno di corso stringe amicizia con l’altra unica donna frequentante, Marie Coda. In alcune pagine autobiografiche inedite, presenti nell’archivio di famiglia e intitolate La carriera di una donna, così Luisa rievoca l’atmosfera di quegli anni: «I compagni maschi ci accolsero con indifferenza o con dispetto. La prima volta che osammo entrare nella sala anatomica, a vedere i compagni del secondo anno che lavoravano sui cadaveri, quando fummo nel centro della sala improvvisamente si spense la luce. Dopo parecchi minuti la luce si accese nuovamente, e si sentì uno studente che rimproverava i compagni del brutto scherzo. Allora noi due matricole molto dignitosamente ce ne andammo, e la Marie mi disse: - Che cosa facciamo per rimetterci dallo spavento? E d’accordo andammo in una pasticceria a mangiare le paste. In seguito i compagni impararono a stimarci, però non ci fu mai vera amicizia, fra di noi».
Luisa è una giovane minuta, alta un metro e cinquantacinque centimetri, dal colorito roseo e con i capelli e gli occhi castano chiari. L’8 luglio del 1920 consegue la laurea in medicina con il massimo dei voti e la lode: la tesi verte «Sopra un caso di endocardite lenta». Nel corso degli studi ha frequentato come “allieva interna” il laboratorio di anatomia e istologia normale del prof. Romeo Fusari dal 1914 al 1916 e la clinica medica dei professori Camillo Bozzolo e Ferdinando Micheli dal 1918 al 1921. Durante la prima guerra mondiale ha prestato servizio con il grado di aspirante ufficiale medico nel laboratorio psico- fisiologico dell’aviazione, diretto dal prof. Amedeo Herlitzka. Inoltre, dal febbraio del 1916 all’agosto del 1917 è stata infermiera volontaria presso l’Ospedale territoriale della Croce rossa italiana, Vittorio Emanuele e Maria Laetitia, di Torino. Studentessa brillante ed esemplare ha ottenuto i premi Pacchiotti e Sperino per le massime votazioni conseguite negli esami speciali e nella discussione della laurea.
E’ subito dopo la laurea che su consiglio dello zio psichiatra entra come assistente volontaria nella clinica neuropatologica universitaria di Torino diretta allora dal prof. Camillo Negro, e poi dal prof. Ernesto Lugaro; Luisa vi rimane fino al 1928, eseguendo ricerche originali che pubblica su riviste nazionali e internazionali, nonché frequentando i congressi specialistici. Contemporaneamente presta servizio come assistente volontaria dal 1923 al 1925 e come medico praticante dal 1925 al febbraio del 1929 all’ospedale psichiatrico di Via Giulio a Torino, dove, sotto la direzione di Vitige Tirelli, si affianca allo zio Marco Treves che la ha indirizzata verso gli studi psichiatrici. Nel 1928 lavora alcuni mesi anche all’ospedale pediatrico Koelliker di Torino in qualità di medico per le malattie nervose dei bambini dando così inizio alla sua carriera di neuropsichiatra infantile cui si dedicherà per tutta la sua vita. Nel 1927 si é recata a Parigi per perfezionarsi sia in malattie mentali (con il prof. Henri Claude), sia in malattie nervose (con il prof. Georges Charles Guillain). Ma a condurla a Parigi non è stata solo la passione per la psichiatria e la “scuola francese”, che resterà comunque la sua principale fonte di formazione, ma anche per avvicinarsi alla psicoanalisi. Luisa ha approfittato di quell’occasione scientifica per riabbracciare lo zio Claudio Treves, leader insieme a Turati della corrente riformista del socialismo italiano e, dal 1926, profugo a Parigi come molti altri antifascisti.
Nonostante l’ottima preparazione e i brillanti risultati, Luisa Levi incontra difficoltà a essere assunta negli ospedali psichiatrici dove desidera lavorare: «presentavo i miei titoli a parecchi concorsi, – scrive sempre nella sua breve autobiografia inedita – concorsi per medico di Ospedale psichiatrico. Dichiarata prima a pari merito, veniva poi sempre nominato il collega maschio; una volta l’amministrazione degli Ospedali psichiatrici di Torino mi mandò un giudizio così concepito. primo posto Dott. Levi, nominato il secondo, perché questa amministrazione non ha ancora deliberato se accogliere Dott.sse in ruolo». Così, dopo i concorsi tentati negli ospedali psichiatrici di Brescia (1928) e di Castiglione dello Stiviere (1928), dove pur classificata prima le venne preferito un candidato di sesso maschile, sempre nel 1928 vince finalmente un posto bandito dai Manicomi centrali veneti per la colonia medico-pedagogica di Marocco di Mogliano: incarico per il quale si richiedeva specificamente una donna. Nella colonia, fondata dallo psichiatra e scrittore Corrado Tumiati che per contrasti con l’amministrazione si era poi licenziato, Luisa inizia a lavorare nel febbraio del 1929 e, ancora inesperta di psichiatria infantile, si trova a gestire insieme a qualche suora e un medico generico circa 150 ragazzi: «la mia ignoranza al riguardo – confessa - fu aiutata da una deliziosa maestrina, che mi insegnò i primi rudimenti sull’educazione degli anormali». Carica di entusiasmo per la meta raggiunta, la Levi si applica intensamente all’argomento e inizia a pubblicare alcuni articoli sulla mente degli anormali e la loro rieducazione, ma, appena a un anno dall’assunzione, la corte insistente e persecutoria del direttore amministrativo dell’ospedale («al mio rifiuto seguì una specie di persecuzione per cui ricevetti le accuse più banali e assurde») la inducono a dare le proprie dimissioni. Fortunatamente nel febbraio del 1930 entra con regolare concorso agli ospedali psichiatrici di Torino: unica donna di sette nominati viene comandata al Ricovero provinciale di Pianezza dove lavoravano già due medici ma non specializzati con il pretesto della non pericolosità delle ricoverate. Qui la Levi, che aveva per così dire respirato l’aria della psichiatria parigina, si scontra con i metodi repressivi e il nichilismo terapeutico cui è improntato l’istituto italiano: «orgogliosa dei miei studi moderni, soffrivo gravemente per la inumanità e la rozzezza di questi trattamenti, che erano la diretta dimostrazione della ignoranza di chi dirigeva la Casa e credeva di evitare a se stesso disturbi o responsabilità in caso di incidenti».
Finalmente nel 1932 riesce a essere accettata alla Casa di Grugliasco dove lavoravano «giovani psichiatri animati da idee meno antiquate». Qui tra l’altro fonderà, per i dimessi dall'ospedale, una cooperativa di floricultori, che esiste tuttora e si chiama "Luisa Levi".
All’ospedale di Grugliasco Luisa resterà fino al momento della applicazione delle leggi razziali (“Provvedimenti per la difesa della razza italiana”, 17 novembre 1938): nel gennaio del 1939 viene licenziata insieme ad altri tre colleghi ebrei. Dal 1933 al 1938 è stata anche medico consulente per la neuropsichiatria infantile presso il reale istituto pediatrico universitario di Torino, diretto dal prof. Giovan Battista Allaria. Inoltre in quegli stessi anni, ha aperto a sue spese uno studio medico-pedagogico privato, con sede in Via Casalis a Torino, dove a «fanciulli di difficile educazione» si prestavano cure mediche (opoterapia, chemioterapia), fisioterapie (elettroterapia, fototerapia, elioterapia, idroterapia) e psicoterapie (rieducazione sensoriale, psicomotoria, ortofrenica, morale, intellettuale). Costretta a licenziare tutti i ragazzi non ebrei, nei primi mesi del 1939 Luisa rimane con un solo unico allievo/paziente ed è costretta così a chiudere il suo piccolo istituto.
Durante il conflitto bellico, privata del lavoro, la Levi si ritira nella campagna di Alassio di proprietà dei genitori dove si dedica ai lavori agricoli «cogliendo le olive e potando gli alberi di agrumi». Nel settembre del 1939 muore il padre, mentre il fratello Carlo, medico anch’egli ma pittore e scrittore (è il celebre autore del libro Cristo si è fermato a Eboli) deve riparare all’estero per motivi politici. Dopo l’8 settembre quando le condizioni degli ebrei si fanno ancora più difficili e pericolose, Luisa si rifugia con la madre Annetta a Torrazzo Biellese dove vive sotto falso nome ben accolta dalla popolazione. Qui «presentata dal comitato femminile di Ivrea» comincia a collaborare attivamente come medico della 76 Brigata Garibaldi e impartisce lezioni di pronto soccorso alle staffette.
Negli anni del secondo dopoguerra Luisa continua nel suo impegno scientifico e politico: vicina nel periodo clandestino al Partito d’Azione e a Giustizia e Libertà, entra in Unità Popolare e dopo il 1953, quando Unità Popolare confluisce nel Partito socialista, si iscrive alla sezione del P.S.I. Matteotti di Torino. Fin dal 1945 è iscritta alla Camera confederale del lavoro di Torino e membro attivo dell’UDI al cui congresso nazionale partecipa nell’ottobre del 1945 a Firenze.
Autrice nel 1962 del primo libro di educazione sessuale del dopoguerra (L’educazione sessuale: orientamenti per i genitori), continua a dedicarsi alla neuropsichiatria infantile in cui ha conseguito la libera docenza con una tesi sulle alterazioni della scrittura nei bambini anormali pubblicata nel 1955 su «Infanzia anormale».
Muore nella sua Torino nel dicembre del 1983.