תגליתה החשובה של לוי-מונטלצ'יני הייתה גורם הגדילה העצבי , הידוע בראשי התיבות הלועזיים שלו, NGF. בסדרה של ניסויים אלגנטיים, שהחלו במעבדתה המאולתרת בביתה במהלך מלחמת העולם השנייה, והמשיכו באוניברסיטת וושינגטון בסאנט לואיס, חשפה לוי-מונטלצ'יני כיצד חומרים מסוימים יכולים לגרום להנצה ולהתארכות של אקסונים שלתאי עצב. היא גידלה בתרבית תאים סרטניים מגידולים של עכבר, שמתאפיינים בגידול מואץ של נוירונים היא מצאה שתאי הגידול, והחומרים שהם מפרישים, מסוגלים גם לעודד צמיחה מוגברת של נוירונים בעובר של אפרוח. בתחילת שנות ה-50, יחד עם שותפה למחקר, סטנלי כהן, הצליחה לוי-מונטלצ'יני להפריד מתוך התרבית את הגורם המסוים שגורם לתופעה – חלבון קצר בן 118 חומצות אמיניות הפעיל בריכוזים זערוריים – ואפיינה אותו מבחינה ביוכימית וגנטית.