Tullio Levi-Civita entstammt einer in Padua ansässigen jüdischen Familie. Sein Vater war Rechtsanwalt und wurde 1908 in den italienischen Senat gewählt. Tullio fiel bereits als Schüler durch seine großen intellektuellen Fähigkeiten auf. Er erlangte mit 17 Jahren die Hochschulreife und nahm das Studium der Mathematik an der Universität Padua auf. Zu seinen Lehrern gehörte Gregorio Ricci-Curbastro, der die Grundlagen des Tensorkalküls entwickelt hatte.