Lo zio, I’onorevole Claudio Treves, è una figura di rilievo nel Partito socialista. Intorno al 1922 il giovane Carlo si lega d’amicizia a Piero Gobetti, che lo invita a collaborare alla sua rivista “La Rivoluzione Liberale” e nel 1923 scrive il primo articolo sulla sua pittura per “L’Ordine Nuovo”. Gobetti lo introduce nella scuola di Casorati, intorno cui gravita la giovane avanguardia torinese. Nascono così opere (Autoritratto, 1923 ; Arcadia, 1923; Il fratello e la sorella, 1925) che risentono della lezione stilistica del maestro, ma che dimostrano anche l’apertura di Levi agli artisti della “nuova oggettività” (Kanoldt, Schad, Beckmann). In questi anni Levi appare inserito nell’ambiente culturale di Torino: frequenta Cesare Pavese, Giacomo Noventa, Antonio Gramsci, Luigi Einaudi e più tardi Edoardo Persico, Lionello Venturi, Luigi Spazzapan. Nel 1923 soggiorna per la prima volta a Parigi e dal 1924, anno in cui si laurea in medicina, al 1927 vi mantiene uno studio. Intorno al 1927 la sua pittura subisce il primo di diversi cambiamenti stilistici, influenzata all’inizio dai fauves e dalla scuola di Parigi, poi, tra il 1929 e il 1930, da Modigliani.
Alla fine del 1928 forma con Gigi Chessa, Nicola Galante, Francesco Menzio, Enrico Paulucci e Jessie Boswell il gruppo dei “Sei di Torino”, che con l’appoggio di Lionello Venturi ed Edoardo Persico, espone in una serie di mostre che si susseguono fino al 1931 ( Genova, Milano, Roma, Londra, Parigi). Nel 1930 porta a maturazione un drammatico stile espressionista, che caratterizzerà i ritratti e i paesaggi di questa decade. Nello stesso anno compie un viaggio attraverso la Gran Bretagna con Nello Rosselli. Nel 1931 si unisce al movimento antifascista di “Giustizia e libertà”, fondato tre anni prima da Carlo Rosselli. Lo stesso anno espone a Parigi presso la Galerie-Librarie Jeune Europe di Antonio Aniante Nel marzo 1934 è arrestato per sospetta attività antifascista. Alcuni artisti residenti a Parigi (Signac, Derain, Léger, Chagall ecc. ) firmano un appello per la sua liberazione. Tra il 1935 e il 1936 è al confino politico in Basilicata, esperienza che gli ispirerà il romanzo Cristo si è fermato a Eboli (1945), la sua opera letteraria più famosa. Molti quadri dipinti al confino vengono esposti nelle personali alla Galleria del Milione (Milano 1936). Nel 1937 è a New York e dal 1939 al 1941 soggiorna a Parigi. Durante la guerra partecipa alla Resistenza in Italia. Nel 1947 si stabilisce a Roma e si schiera a favore della pittura realista, intesa però in senso strettamente esistenziale. Molti soggetti pittorici riflettono la sua partecipazione ai problemi socioeconomici del Mezzogiorno. Negli anni Sessanta imprime una svolta stilistica alla sua pittura e amplia i valori espressivi in senso più poetico e universale, suscitando un rinnovato interesse da parte del pubblico e della critica, anche internazionale, che gli decreta il successo. Nel 1963 è eletto senatore, carica che gli viene riconfermata nel 1968. Pubblica numerosi scritti politici e letterari, tra cui “Paura della pittura” (1942), “L’orologio” (1950) e “Le parole sono pietre”.