Desde su infancia maduró cierta curiosidad por la cultura visual: nació en la patria de Macrino d'Alba (al que dedicó su primer escrito) y cotidianamente se le presentaban bajo los ojos obras como la Madonna de Barnaba da Modena (conservada en la iglesia parroquial) y el Concertino de Mattia Preti (en el municipio ciudadano).

Después de los estudios secundarios bajo la guía de Umberto Cosmo, alcanzada el grado de maturità en el Liceo clásico, se inscribe en la'Universidad de Turín, donde fue alumno de Pietro Toesca, con el cual el joven Longhi se laureó en 1911 discutiendo una tesis sobre Caravaggio: se trasladó entonces a Roma, donde se diplomó en la Scuola di Perfezionamento in Storia dell'Arte local bajo la guía de Adolfo Venturi, del cual se convirtió en discípulo y estrecho colaborador en la revista'Arte, dirigida por él.

Atraído por el arte de Gustave Courbet y Pierre-Auguste Renoir, impresionado por las obras de Eugène Fromentin y Walter Pater (que observó en la Bienal de Venecia) permanece fascinado por la lectura de Charles Baudelaire y Stéphane Mallarmé; aproximándose a la estética crociana, se destacó pronto rechazando una cierta refractariedad en el no distinguir los «campos intuitivos del Arte».

Se ofreció a Bernard Berenson como traductor italiano de su obra Italian Painters of the Renaissance.

Fue uno de los más importantes historiadores del arte italiano del siglo XX, un punto de referencia para toda la crítica posterior.