A los 16 años inició los estudios de Medicina en Turín (norte), graduándose en 1936. En 1939 partió al frente como médico de guerra y fue herido en Rusia.
En 1943 entró a formar parte de la resistencia italiana antifascista, prestando servicio como médico.
Apasionado por la investigación científica, se inscribió en 1945 a la Facultad de Física de Turín y después de obtener su segundo doctorado, se trasladó en 1947 a Estados Unidos, país del que adquirió la nacionalidad.
Durante 10 años trabajó para el Instituto de Tecnología de California y en 1972 regresó a Europa para ocupar una cátedra en el Imperial Cancer Research Fund Laboratory de Londres.
Dedicó su vida al estudio de los tumores, en especial a los efectos de los virus sobre las células. Con sus investigaciones Dulbecco llegó a la conclusión de que los virus pueden desencadenar la génesis del cáncer.
En 1993 regresó definitivamente a Italia para dirigir la Comisión Nacional de Oncología y seguir sus investigaciones en el Instituto de Tecnología Biomédica de Milán (norte).