Il giorno prima di Natale del 1939, insieme alla famiglia di Anna tornò in auto dal Belgio a Torino, dove, durante l'inverno del 1940, allestì un laboratorio domestico situato nella sua camera da letto per proseguire le sue ricerche, ispirate da un articolo di Viktor Hamburger del 1934 che riferiva sugli effetti dell'estirpazione degli arti negli embrioni di pulcini. Il suo progetto era appena partito quando Giuseppe Levi, scappato dal Belgio invaso dai nazisti, ritornò a Torino e si unì a lei, diventando così, con suo grande orgoglio, il suo primo e unico assistente. Il loro obiettivo era quello di comprendere il ruolo dei fattori genetici e di quelli ambientali nella differenziazione dei centri nervosi. In quel laboratorio Rita Levi-Montalcini e Giuseppe Levi scoprirono il fenomeno della morte di intere popolazioni nervose nelle fasi iniziali del loro sviluppo, fenomeno compreso nei suoi meccanismi solo tre decenni più tardi (1972) e definito con il termine apoptosi.