Emilio Segrè naît à Tivoli près de Rome dans une famille juive séfarade, d'un père, Giuseppe Segrè (1859-1944), industriel dans les manufactures de papier de la ville, et d'Amelia Treves (1868-1943)[3]. Il est élève à Tivoli, puis à Rome après le déménagement de sa famille en 1917. Il obtient son diplôme en juin 1922 et commence des études d'ingénieur à l'université La Sapienza[4].
Il rencontre en 1934 sa future femme, Elfriede Spiro (1907-1970), une juive ayant fui le nazisme en Allemagne, et l'épouse à la Grande synagogue de Rome le . Ils auront trois enfants.
Il accepte ensuite un poste de professeur de physique à l'université de Palerme. En 1936, il se rend pour la première fois au laboratoire de radiation Berkeley d'Ernest Lawrence, où il s'intéresse au fonctionnement du cyclotron et emporte avec lui des morceaux de métaux irradiés par cet instrument. De retour à Palerme et avec l'aide du minéralogiste Carlo Perrier, il découvre dans les échantillons un grand nombre d'isotopesradioactifs. En 1937, dans un morceau de molybdène irradié envoyé par Lawrence, ils remarquent la présence d'un élément radioactif inconnu. En 1947, ils le baptiseront « technétium », le premier élément chimique produit artificiellement.
En juin 1938, Segrè est à nouveau en visite à Berkeley. Pendant son séjour, le gouvernement fasciste de Mussolini instaure des lois raciales l'empêchant de garder son poste de professeur. Face à cette situation et sentant la guerre imminente, il demande à sa famille de le rejoindre en Californie. Contraint à accepter un poste à Berkeley en deçà de ses capacités, il parvient néanmoins à des résultats importants : avec Glenn Seaborg, il isole l'isotope métastable du technétium (99mTc) ; avec Alexander Langsdorf et Chien-Shiung Wu, il découvre le xénon 135, dont le rôle de poison nucléaire sera vital à comprendre pour la réalisation des premières piles atomiques ; avec Dale Corson, Robert Cornog et Kenneth MacKenzie, il isole l'astate. Il aide également à la création du plutonium 239. Il manque de peu la découverte du neptunium et du prométhium.
La mère de Segrè est arrêtée par les nazis dans une rafle en octobre 1943 et son père meurt le sans qu'il n'ait pu les revoir. Lui et sa femme deviennent citoyens américains en 1944.
Segrè décide de retourner à Berkeley en janvier 1946, et y restera jusqu'à sa retraite en 1973, sauf pour quelques années à l'université de l'Illinois à Urbana-Champaign. En litige avec le gouvernement américain au sujet des brevets que lui et ses collègues avaient déposé avant et pendant la guerre sur la génération de neutrons et la synthèse du plutonium, il est finalement indemnisé au cours des années 1950. Il est élu à académie nationale des sciences en 1952 et à la Société américaine de philosophie en 1963.
Sa femme Elfriede meurt le . Il se remarie avec Rosa Mines (1926-1997) en février 1972. Après sa retraite à Berkeley, Segrè enseigne encore une année en 1974/1975 à la Sapienza de Rome. Il meurt le non loin de son domicile à Lafayette en Californie. S'intéressant à l'histoire des sciences, il a écrit plusieurs livres et pris beaucoup de photographies documentant ses recherches et celles de ses collègues. Beaucoup de ces témoignages sont actuellement dans les collections de l'American Institute of Physics.
From X-rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries, Dover Publications, 1980. Traduit de l'anglais par Patrick Leroux Hugo sous le titre Les Physiciens modernes et leurs découvertes, Fayard, 1984
Personaggi e scoperte della fisica classica, Arnoldo Mondadori Editore, 1983. Traduit de l'anglais par Suzanne de Cheveigné sous le titre Les Physiciens classiques et leurs découvertes, Fayard, 1987
(en) Biographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)
