Ilaria Capua a obtenu son diplôme en médecine vétérinaire « cum laude » à l’Université de Pérouse en 1989. Elle s'est ensuite spécialisée en hygiène et santé animale à l’université de Pise. Elle possède également un doctorat de recherche à l’université de Padoue.
En 2006, elle rend publique la séquence génétique du virus de la grippe. Cette décision marque le début du développement de ce qu’on appelle "la science ouverte". Elle s’engage par la suite dans une campagne internationale en faveur du libre accès aux données sur les séquences génétiques des virus de la grippe.
En 2013, elle est élue députée après avoir été désignée comme leader du parti Scelta Civica pour les élections législatives. Elle a été vice-présidente de la Commission des affaires sociales de la Chambre de 2013 à 2015.
Depuis juin 2016, elle dirige un centre de recherche à l'Institut des sciences alimentaires et agricoles de l'Université de Floride.