Natalia Levi nasce a Palermo da Giuseppe Levi, illustre scienziato ebreo di origine triestina, e Lidia Tanzi, milanese e non-ebrea. Il padre è professore universitario antifascista e sia il padre che i tre fratelli saranno imprigionati e processati con l'accusa di antifascismo.
Natalia trascorre l'infanzia e l'adolescenza a Torino, in stato di emarginazione e trova presto conforto nella scrittura. Esordisce nel 1933 con il suo primo racconto, I bambini, pubblicato dalla rivista "Solaria" e nel 1938 sposa Leone Ginzburg col cui cognome firmerà in seguito tutte le sue opere. Dalla loro unione nacquero tre figli: Carlo (Torino, 15 aprile 1939), che diverrà un noto storico e saggista, Andrea (Torino, 9 aprile 1940) e Alessandra (Pizzoli, 20 marzo 1943).
In quegli anni stringe legami con i maggiori rappresentanti dell'antifascismo torinese e in particolare con gli intellettuali della casa editrice Einaudi della quale il marito, docente universitario di letteratura russa, era collaboratore dal 1933.
Nel 1940 segue il marito, che era stato mandato al confino per motivi politici e razziali, a Pizzoli in Abruzzo dove rimane fino al 1943. Nel 1942 scrive e pubblica, con lo pseudonimo di Alessandra Tornimparte, il suo primo romanzo intitolato La strada che va in città che verrà ristampato nel 1945 sotto il nome dell'autrice.