Levi, inserito in questo contesto, conosce e frequenta personaggi di grande rilievo culturale,  come Cesare Pavese, Giacomo Noventa, Antonio Gramsci, Luigi Einaudi e, più tardi, importante per la sua evoluzione pittorica, Edoardo Persico, Lionello Venturi, Luigi Spazzapan. Nel 1923 effettua un viaggio a a Parigi, dove ha la possibilità di ammirare opere di Modigliani e di Soutine: ne trae una spinta alla ribellione contro la retorica fascista e la cultura ufficiale italiana. Durante questo soggiorno, scrive anche il primo articolo sulla sua pittura nella rivista Ordine nuovo. Si laurea in medicina diventa assistente, fino al 1928, nella Clinica Medica dell’Università di Torino,  ma non eserciterà mai la professione di medico, preferendo definitivamente la pittura e il giornalismo. La profonda amicizia con Felice Casorati orientano la prima attività artistica del giovane Levi, con le opere pittoriche Ritratto del padre (1923) e il levigato nudo di Arcadia, con il quale partecipa alla Biennale di Venezia del 1924. Dopo altri soggiorni a Parigi, dove aveva mantenuto uno studio, la sua pittura, influenzata dalla Scuola di Parigi, subisce un ulteriore cambiamento stilistico, proseguito poi con la conoscenza, tra il 1929 e il 1930, di Modigliani. Con il sostegno di Edoardo Persico e Lionello Venturi, alla fine del 1928 prende parte al movimento pittorico cosiddetto dei sei pittori di Torino, insieme a Gigi Chessa, Nicola Galante, Francesco Menzio, Enrico Paulucci e Jessie Boswell, che lo porterà a esporre in diverse città in Italia e anche in Europa.
Nel 1931 prende parte al movimento antifascista di “Giustizia e libertà”, fondato  da Carlo Rosselli. Per sospetta attività antifascista, nel marzo 1934 Levi viene arrestato, e l’anno successivo, dopo un secondo arresto, condannato al confino, nel paese lucano di Grassano e successivamente trasferito nel piccolo centro di Aliano, da questa esperienza nascerà il suo romanzo più famoso, Cristo si è fermato a Eboli, pubblicato da Einaudi due anni più tardi. Dopo la grazia concessagli nel 1936 dal regime fascista, si trasferisce in Francia, dove continua la sua attività politica. Rientrato in Italia, nel 1943 aderisce al Partito d’azione e dirige insieme ad altri Azionisti La Nazione del Popolo, organo del Comitato di Liberazione della Toscana.

Levi continuerà nel dopoguerra la sua attività di giornalista, in qualità di direttore del quotidiano romano Italia libera, partecipando a iniziative e inchieste politico-sociali sull’arretratezza del Mezzogiorno d’Italia, e per molti anni collaborerà con il quotidiano La Stampa di Torino. Nel 1954 aderisce al gruppo neorealista e partecipa alla Biennale di Venezia con apprezzabili dipinti, in chiave realistica come la sua narrativa. Dopo Cristo si è fermato a Eboli, di grande interesse sono Le parole sono pietre, del 1955, sui problemi sociali della Sicilia (vincitore nello stesso anno del Premio Viareggio), Il futuro ha un cuore antico (1956), Tutto il miele è finito (1965), e L’orologio, pensosa e inquieta cronaca degli anni della ricostruzione economica italiana (1950).

Nel 1963, la sua vita politica diventa sempre più attiva in quanto decide di modificare quella politica immobile e stratificata, conservatrice di diritti ottenuti molto spesso illegalmente.Nel gennaio 1973 subisce due interventi chirurgici per il distacco della retina. In stato temporaneo di cecità riuscirà a scrivere Quaderno a cancelli, che sarà pubblicato postumo nel1979, e a tracciare più di 146 disegni della cecità, che saranno pubblicati nel volume “Carlo Levi inedito: con 40 disegni della cecità“.

Muore a Roma il 4 gennaio 1975.