Ottenuta nel 1902 la libera docenza, Levi ricevette un incarico presso la Stazione Zoologica di Napoli. Vincitore di cattedra, nel 1910 si stabilì a Sassari, dove lo seguì l'amico e allievo Tullio Terni, con cui portò avanti studi istologici ed embriologici sulla struttura e l'origine dei mitocondri. Nel 1914 divenne Professore di Anatomia Umana Normale a Palermo. Nella parentesi palermitana, scoppiata la Prima guerra mondiale, si arruolò come ufficiale medico volontario sul Carso. Nel 1919 gli fu affidata la cattedra di Anatomia Umana Normale all'Università di Torino.