Nacque da una famiglia ebraica piemontese (per parte di padre), nipote di un rabbino. Nel 1926, mentre era impiegato di banca, subì l'influenza politica di Giovanni Giolitti. Nel 1930 divenne ufficiale di complemento dell'esercito italiano nel reggimento di re Umberto II col quale ebbe un'amicizia. Si laureò in Giurisprudenza nel 1931 all'Università di Torino. È padre del noto giornalista Renzo Foa, già direttore dell'Unità e successivamente entrato in Forza Italia, nonché della storica Anna Foa.
Nel 1933 entrò in Giustizia e Libertà, movimento politico antifascista. Il 15 maggio1935, all'età di 25 anni, venne arrestato a Torino in seguito alla segnalazione di un confidente dell'OVRA, quindi denunciato al Tribunale Speciale Fascista, che lo condannò a 15 anni di reclusione (nel 1936) per attività antifascista. Condivise la stessa cella con Ernesto Rossi, Massimo Mila e Riccardo Bauer, e nel frattempo sposò il liberalismo di Benedetto Croce.
All'Assemblea costituente, il 2 giugno1946, fu eletto deputato del PdA, e dopo lo scioglimento di quest'ultimo nel 1947, alla fine dello stesso anno passò al Partito Socialista Italiano (PSI), per cui fu dirigente nazionale e, per tre legislature (1953-1968), deputato.
Il 1948 fu l'anno in cui Foa entrò nella FIOM nazionale; nell'ottobre1949 entrò nella Segreteria nazionale della CGIL di Giuseppe Di Vittorio, come vicesegretario responsabile dell'Ufficio studi, e nel 1955 fu segretario nazionale della FIOM.
Dopo una collaborazione iniziale nel 1959 con la nascente rivista Passato e presente (nata intorno ad Antonio Giolitti e diretta da Carlo Ripa di Meana), Foa divenne uno dei massimi teorici della linea politica dell'autonomia operaia, che ispirò molti anni dopo la nascita dell'omonimo movimento politico, e scrisse fra l'altro nel 1961 l'editoriale del primo numero della rivista di Raniero Panzieri, Quaderni rossi, legata a quest'area.
Nel luglio1974 il PdUP si unificò al gruppo de Il manifesto e nacque il PdUP per il comunismo: Foa fece parte, con Silvano Miniati, della sinistra del nuovo partito (circa il 44%). Col PdUP prese parte alla promozione della lista unica della nuova sinistra, Democrazia Proletaria (DP), avvenuta nel 1975-76: per questo cartello elettorale fu eletto nelle circoscrizioni di Torino e Napoli ma rinunciò a favore di Silverio Corvisieri (Avanguardia Operaia) e Mimmo Pinto (Lotta Continua). Nel 1977 iniziò anche a scrivere nel Quotidiano dei lavoratori, giornale di AO, mentre sua moglie Lisa intraprese la militanza in LC.
Il '77 fu l'anno in cui il PdUP perse la corrente ex-PSIUP-MPL (assieme alle cosiddette Federazioni unitarie e all'area sindacale di Giovannini) che prese parte alla costituente partitica di DP, mentre il partito rimase in mano alla componente de Il Manifesto.
Foa in seguito ricominciò nuovamente ad allontanarsi dalla vita politica: il suo ultimo intervento ufficiale fu alla commissione del Congresso di DP (gennaio1980). Promise di non parlare né scrivere più di politica per almeno quattro anni, e preferì dedicarsi all'insegnamento dopo aver accettato la cattedra di Storia contemporanea nelle università di Modena e Torino.
Il 15 giugno1987 venne eletto senatore come indipendente nelle liste del PCI, pur non essendo mai stato comunista. Ha scritto infatti Foa: «Non credo di avere mai accettato il marxismo come un canone di interpretazione globale della realtà. (...) Io non sono mai stato comunista e nessuno mi ha mai chiesto di diventarlo, forse anche per il mio impermeabile individualismo piccolo-borghese che ha resistito anche a decenni di lavoro sindacale. La mia coabitazione coi comunisti è stata tutta sul versante, che ritengo dominante, della costruzione democratica»[1].
Nel PCI rimase anche quando si trasformò in Partito Democratico della Sinistra (PDS). Favorevole alla partecipazione italiana nella Guerra del Golfo, nel 1992 abbandona la politica attiva per dedicarsi alla stesura di alcuni libri, in gran parte autobiografici: nel 2003 uscì ad esempio "Un dialogo", edito dalla Feltrinelli e scritto a quattro mani con Carlo Ginzburg.
In una intervista del 2006 dichiara:
« Sarebbe ora di finirla con questa damnatio memoriae per cui la storia del Novecento ruota intorno ai comunisti, agli ex comunisti e ai comunisti o filocomunisti pentiti. C'è una grande storia che è stata rimossa: quella degli antitotalitari democratici e liberali – anticomunisti e antifascisti – che non hanno avuto bisogno di rivelazioni tardive, di omissioni generalizzate e di compiacenti assoluzioni »
I partiti e la nuova realta italiana. La politica del C.L.N. (1944)
Il piano economico della CGIL per il risanamento dell'economia nazionale (1949)
Per una nuova politica economica. Conferenza tenuta dall'on. Vittorio Foa, Vice segretario della CGIL a nome dei socialisti torinesi. Torino, 26 maggio 1953 (1953)
Per un governo che serva l'Italia. Intervento al dibattito sulla presentazione dell'8. Gabinetto De Gasperi alla Camera dei Deputati. 22 luglio 1953 (1953)
Il petrolio e l'industrializzazione della Sicilia. Il Partito socialista italiano e la rinascita della Sicilia 1955
Una nuova politica dello zolfo siciliano 1958
Il finanziamento della sicurezza sociale nel quadro di una politica economica di sviluppo 1959
L'azione salariale e lo sviluppo economico 1960
La CGIL di fronte alle trasformazioni tecnologiche nell'industria italiana 1960
Lotte operaie e prospettive del socialismo in Italia 1960
Il vecchio e il nuovo nel socialismo italiano 1962
Lotte sindacali e strategia politica 1966
Carlo Levi "uomo politico" 1967
Lotte operaie nello sviluppo capitalistico 1970
La ricostruzione capitalistica nel secondo dopoguerra 1975
La struttura del salario 1975
Per una storia del movimento operaio 1980
Sindacati e lotte operaie. 1943-1973 1980
I problemi di fondo del sindacato italiano in cento anni di storia 1983
La cultura della CGIL : scritti e interventi 1950-1970 1984
La cultura del sindacato e le sue alternative. Corso integrativo di economia del lavoro 1985
La Gerusalemme rimandata. Domande di oggi agli inglesi del primo Novecento (1985)
Noi si che eravamo uomini d'azione (1989)
Il difficile cammino del lavoro (1990)
Il Cavallo e la Torre. Riflessioni su una vita (1991)
