Renato Dulbecco est le fils d'une mère calabraise et d'un père originaire de Ligurie. Il fait ses études à l'Université de Turin. À l'âge de 22 ans, il obtient son diplôme d'anatomopathologiste sous la direction de Giuseppe Levi. Il fera à cette époque la connaissance de Salvador Luria et de Rita Levi-Montalcini qui joueront un grand rôle plus tard dans sa vie lors de son émigration aux États-Unis. En 1940, il doit retourner dans l'armée avec l'entrée en guerre de l'Italie et combat sur le front français puis russe, où il est blessé. Durant la chute du fascisme, il s'engage dans la résistance contre les allemands.
Après la guerre, Dulbecco finit son travail dans le laboratoire de Levi, puis il partira avec Rita Levi-Montalcini aux États-Unis à Bloomington dans l'Indiana pour travailler avec Salvador Luria sur les bacteriophages. En 1949, il entre au Caltech dans le groupe de Max Delbrück où il commencera ses recherches sur les oncovirus. À la fin des années 1950, il recrute comme étudiant Howard Temin, avec qui, en plus de David Baltimore, il va partager son Prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1975 pour leurs « découvertes concernant l'interaction entre les virus oncogéniques et le matériel génétique des cellules ». En réalité, Temin et Baltimore font la découverte simultanée et indépendante de l'enzyme transcriptase inverse, sans que Dulbecco soit directement impliqué dans les recherches, mais il leur avait enseigné les méthodes technologiques pour la culture des virus et la purification de l'enzyme. En 1964, il reçoit le Prix Lasker.
En 1962, il intègre le Salk Institute et en 1972 The Imperial Cancer Research Fund (actuellement connu sous le nom de London Research Institute). En 1986, Dulbecco est l'un des promoteurs du Human Genome Project
En 1993, il retourne en Italie où il est devenu le président de l' Institut de technologies biomédicales au CNR de Milan tout en conservant son poste émérite au Salk Institute.
