Сегре вырос в сефардской семье, окончил инженерный факультет Римского университета. Он был первым аспирантом Энрико Ферми и в 1928 г. защитил под его руководством докторскую диссертацию по физике. В 1928-29 гг. Сегре проходит срочную воинскую службу в итальянской армии в качестве артиллерийского офицера, после чего возвращается в Римский университет преподавателем физики, позже становится адьюнкт-профессором на кафедре Ферми.

Получение стипендии Рокфеллеровского фонда позволило молодому учёному поработать с Отто Штерном в Гамбурге и с Питером Зееманом в Амстердаме. Его научные интересы концентрируются в области ядерной физики. В 1935 г. группа Ферми, в которой участвует Сегре, открыла медленные нейтроны.

В 1936 г. Сегре был назначен деканом физического факультета Университета Палермо. В том же году он приезжает в Соединённые Штаты, чтобы поработать на циклотроне в Калифорнийском университете в Беркли. Результатом этой работы стало открытие элемента с атомным номером 43, заполнившее пробел в периодической системе элементов. Сегре назвал его технецием от греческого technetos (искусственный), поскольку это был первый элемент, полученный искусственным путем. Технеций, оказавшийся ценным лечебным препаратом, не встречается в естественном виде на Земле, но обнаружен в спектре излучения звёзд.

В 1938 г. итальянское правительство принимает антисемитские законы о гражданских правах, Сегре лишается кафедры и принимает решение переехать в США. В том же году в Беркли, в сотрудничестве с Д. Корсоном и К. Маккензи, он синтезирует искусственный элемент с атомным номером 85, который получил название астата. В 1940 г. вместе с Т. Сиборгом и другими он открывает плутоний-239 (с атомным номером 94) - первый расщепляющийся элемент. Именно плутоний стал главным источником энергии в атомной бомбе, сброшенной в августе 1945 г. на Нагасаки. В 1944 г. Сегре получает американское гражданство и становится руководителем группы в Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта (организации по созданию атомной бомбы). После войны он возвращается в Беркли в качестве действительного профессора.

В результате многолетнего сотрудничества Сегре с Оуэном Чемберленом, в 1955 г. учёные объявили об экспериментальном подтверждении существования антипротонов. Эксперименты также показали, что антипротоны рождаются не отдельно, а в парах протон-антипротон (подобно тому как позитроны рождаются в электрон-позитронных парах). За это открытие в 1959 г. Сегре и Чемберлен были удостоены Нобелевской премии по физике.

Сегре был автором монографий "Экспериментальная ядерная физика" (1953) и "Ядра и частицы" (1964), талантливым популяризатором физики - он выпустил биографическое исследование "Энрико Ферми, физик" (1970) и ряд других книг. Он был также страстным рыболовом и альпинистом.

Сегре был заслуженным профессором Римского университета (с 1975 г.), членом американской Национальной академии наук, Итальянской национальной академии наук, Американского философского общества, Фонда Гуггенхайма, Американского и Итальянского физических обществ, Американской академии наук и искусств, Индийской академии наук, Гейдельбергской академии наук, Уругвайского научного общества и Национальной академии наук Перу. Ему были присвоены почётные докторские степени университетами Палермо, Тель-Авива, Лимы и др.
  

Имя Эмилио - итальянская форма римского родового имени Aemilius, которое происходит от латинского слова aemulus, означающего "соперник". Имя Джино - итальянская краткая форма имён, оканчивающихся на gino. Фамилия Сегре - топонимическая, по названию города во Франции или провинции в Каталонии.