Родился в еврейской семье, в Италии. Среднее образование получил в лицее Мамиани, в Риме (1922). В 1922—27 учился на инженерном факультете Римского университета. Потом специализировался на физическом факультете, где познакомился с Энрико Ферми. Под руководством Ферми написал диссертационную работу и получил степень доктора наук (1928).
После окончания учебы был в итальянской армии и уже офицером вернулся в Римский университет. Был стипендиатом Рокфеллеровского фонда и занимался наукой вместе со знаменитыми физиками Отто Штерном (Гамбург) и Питером Зееманом (Амстердам). Становится адъюнкт-профессором на кафедре Ферми. В 1936 назначен деканом физического факультета Университета Палермо и посещает США для работы на циклотроне в Калифорнийском университете в Беркли. В 1938 он вторично приезжает в США для работы с Дэйлом Р. Корсоном и К. Р. Маккензи. Летом 1938 в связи с принятием в Италии антисемитских законов Сегре принимает решение остаться в США. В 1944 он получает американское гражданство.
В начале своей деятельности Сегре выполнил важные исследования в области спектроскопии запрещённых линий и эффектов Зеемана и Штарка. Войдя в группу Энрико Ферми, он становится одним из первооткрывателей в области нейтронной физики, сыгравшей решающую роль в производстве ядерной энергии. Сегре вместе с коллегами в 1936 искусственным путём выделил и идентифицировал практически не встречающийся в естественном виде химический элемент с атомным номером 43 (технеций), получивший применение как медицинский препарат в радиографии. В 1938 синтезировал искусственный элемент с атомным номером 85, получивший название астат. В 1940 открыл плутоний-239 (с атомным номером 94), оказавшийся делящимся материалом, который стал главным источником энергии в первой атомной бомбе.
Во время войны (с 1943 по 1946 год) Сегре работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории, принимая участие в Манхэттенском проекте. В 1950-х Сегре и Оуэн Чемберлен экспериментально подтвердили существование предсказанного П. Дираком и другими физиками-теоретиками антипротона и показали, что он рождается не отдельно, а в аннигилирующих парах протон-антипротон. Выступая в качестве популяризатора физики, Сегре выпустил биографическую работу об Энрико Ферми и другие книги.
