Religion spielte in ihrem Leben nur als Hindernis zum Glück eine Rolle: Schon Hilde Levis Eltern lebten als assimilierte Juden in Frankfurt am Main, sie selbst lehnte nach erzwungenem Religionsunterricht in der weiterführenden Schule früh die Religion für sich ab. Zu dieser Haltung trug sicherlich auch ihre wissenschaftliche Weltansschauung bei; ihr Abitur machte sie 1928 als einziges Mädchen ihres Jahrgangs in Physik. Nach ihrem Abschluss verbrachte sie zunächst ein halbes Jahr in England und begann dann an der Münchener Universität Physik und Chemie zu studieren. Bereits zwei Jahre später wechselte sie für ihre Promotionsarbeit an das Kaiser-Wilhelm-Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie in Berlin-Dahlem. Dort bestand sie 1934 noch ihre Doktorprüfung, doch da die Nationalsozialisten im Jahr zuvor an die Macht gewählt worden waren, überschattete ihre jüdische Familiengeschichte ihr ganzes Leben. Aufgrund des Arierparagraphen hatte sie keinerlei berufliche Aussichten, sämtliche ihrer Lehrer und Mentoren waren bereits emigriert. Schließlich löste ihr Verlobter, der Physiker Hans Bethe, zwei Tage vor der Hochzeit die Verbindung, auf Anraten seiner Mutter, die selbst jüdischer Abstammung war. Diese Entscheidung schockierte die Kollegen des Paares, insbesondere die ebenfalls jüdischen Niels Bohr und James Franck, die lebenslang persönliche Vorbehalte gegen den späteren Nobelpreisträger hegten. (In Bethes Wikipedia-Eintrag ist im übrigen weder von seiner privaten Verbindung zu Hilde Levi noch von dieser Entscheidung gegen ihre Ehe die Rede, die immerhin dazu führte, dass Bethe bis nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges nie an das Niels-Bohr-Institut eingeladen wurde, obwohl er ein führender Physiker der Zeit war.)
Die International Federation of University Women und Niels Bohr selbst vermittelten Levi eine Assistenzstelle bei James Franck, der selbst erst vor kurzem nach Kopenhagen emigriert war; er kannte zwar Levi bis dahin nicht persönlich, aber ihre Doktorarbeit über Spektren der Alkalihalogen-Dämpfe, deren wissenschaftlichen Wert er hoch einschätzt. Ihre Promotionsurkunde musste ihr Bruder ihr Monate nach ihrer Ausreise für sie in Empfang nehmen. Levi arbeitete für Franck, bis dieser 1935 Kopenhagen verließ, danach arbeitete sie als Assistentin des ebenfalls aus Deutschland emigrierten ungarischen Chemikers George de Hevesy. Die Entdeckung der Aktivierung, also induzierter Radioaktivität, durch das Ehepaar Joliot-Curie 1935 inspirierte de Hevesy und Levi zur Bestrahlung seltener Erden. Ihre Entdeckungen bei dieser Arbeit führten zur Entwicklung der Neutronenaktivierungsanalyse, mit der zum Beispiel 1961 ermittlet wurde, dass Napoléon zumindest an Arsenvergiftung litt, wenn nicht sogar daran starb.
1938 wurde Levi in Deutschland der Doktortitel aberkannt, ohne Angabe von Gründen, im gleichen Jahr musste sie ihren deutschen Pass in der Botschaft in Kopenhagen abgeben. Sie konnte mit de Hevesy bis 1940 weiter am Niels-Bohr-Institut arbeiten; nach der Besetzung Dänemarks durch die deutsche Wehrmacht wechselte sie zunächst innerhalb Kopenhagens an das Carlsberg-Institut. 1943 begannen die deutschen Besatzer jedoch auch in Dänemark, Juden zu deportieren, und Levi floh mit vielen anderen nach Schweden. Dort konnte sie bis zum Ende des Zweiten Weltkrieges an einem Institut für experimentelle Biologie arbeiten.
Nach Kriegsende kehrte Levi nach Kopenhagen zurück und begann, unter August Krogh am Zoophysiologischen Institut der Universität Kopenhagen an radiobiochemischen Forschungen zu arbeiten. Bei einem Aufenthalt in den USA lernte sie die Radiokarbonmethode zur Altersbestimmung von Stoffen kennen, die Willard Libby 1946 entwickelt hatte. Sie entwickelte darauf aufbauend am Dänischen Nationalmuseum die erste Messeinrichtung für C14-Datierung, mit der kurz darauf das Alter des Grauballe-Mann ermittelt werden konnte. (Auch in diesem Wikipedia-Beitrag ist nicht die Rede von Levi, sondern Libby selbst wird als derjenige genannt, der die Untersuchung durchgeführt habe. Siehe Matilda-Effekt.)
Levi beriet die dänische Gesundheitbehörde zum Thema Strahlenschutz und lehrte 19 Jahre lang an der Universität Kopenhagen. Nach ihrer Pensionierung 1979 war sie am Aufbau des Niels-Bohr-Archivs beteiligt und arbeitete den wissenschaftlichen und persönlichen Nachlass de Hevesys auf. 2001 nahm sie an einem Treffen an der Humboldt-Universität teil, zu dem die Wissenschaftler geladen worden waren, die nach 1933 entlassen worden waren und Deutschland nachfolgend verlassen mussten. Sie starb 2003 im Alter von 94 Jahren in Kopenhagen.
Das Jewish Women’s Archive führt eine Biografie von ihr, das Niels-Bohr-Archiv ebenfalls. Auf der Seite des American Institute of Physics findet sich das Transkript eines Interviews mit ihr von 1971.