Née à Cagliari en Sardaigne, elle a commencé dans un film, après avoir été repérée par le réalisateur Léonide Moguy, avec
Vittorio de Sica, Domani è troppo tardi . Elle fit ses débuts à Hollywood et à la MGM dans Teresa, son premier film américain. Dirigé par
Fred Zinnemann, ce film fut aussi celui qui vit les débuts de
Rod Steiger et
John Ericson. Des critiques enthousiastes la comparaient à
Greta Garbo, elle remportait pour ce rôle un Golden Globe Award, celui de la New Star Of The Year - Actress. Sous contrat avec la MGM durant les années 1950, elle est apparue dans une série de films. Dans Miracle à Tunis (The Light Touch) avec
Stewart Granger, elle apportait une légère touche d'innocence au film. Des projets de film sur l'histoire de Roméo et Juliette avec Pier Angeli et
Marlon Brando sont tombés à l'eau lorsqu'une co-production anglo-italienne fut annoncée. Ses films suivants furent honnêtes sans être excitants : Histoire de trois amours en 1953 avec
Kirk Douglas,
Sombrero dans lequel elle remplaçait
Ava Gardner, et Flame and the flesh dans lequel elle perdait son époux au profit de
Lana Turner.
La MGM, après avoir découvert en
Leslie Caron une nouvelle ingénue continentale, prêta Pier Angeli à d'autres studios. Elle tourna pour Warner Bros. Le Calice d'argent qui marquait les débuts au cinéma de
Paul Newman et faisait Mam'zelle Nitouche avec Fernandel. Pour la Paramount, elle devait jouer le rôle de la fille d'
Anna Magnani dans La Rose tatouée, mais enceinte, le rôle fut pour sa soeur jumelle,
Marisa Pavan, qui fut nominée pour un Oscar pour ce rôle. Pier Angeli était encore prêtée, cette fois-ci à la Columbia pour Port Afrique (1956). Pour son retour à la MGM, elle jouait la femme de Paul Newman dans Marqué par la haine (
James Dean devait être la vedette de ce film, mais Newman récupéra ce rôle avec la mort de Dean). Elle était indifférente dans Les Vendanges (1957) avec
Mel Ferrer et
John Kerr et terminait son contrat dans Le Fou du cirque avec
Danny Kaye.
Dans les années 1950, Pier Angeli s'était fiancée avec
Kirk Douglas, selon la biographie de celui-ci. Pendant une petite période, Angeli aurait aussi eu une relation avec
James Dean et il y eut beaucoup de spéculations quant à un possible mariage. Toutefois, sous la pression de sa mère, elle mit fin à cette aventure et épousa, en 1954, l'acteur/chanteur
Vic Damone. Ce mariage se termina par un divorce en 1959, suivi par une médiatisée bataille devant les tribunaux pour la garde de leur fils. Elle épousa, en 1962, en seconde noce le compositeur italien Armando Trovaioli avec lequel elle eut un autre fils. Ce mariage s'acheva également par un divorce en 1969. Juste avant sa mort, Pier Angeli parla de sa relation avec James Dean et confia :"Il n'y a eu qu'un seul amour dans ma vie et c'était James Dean".
Pendant les années 1960 et jusqu'en 1970, l'actrice est revenue vivre et travailler en Grande-Bretagne et en Europe. Au cours de cette période, peu de ses films attirèrent l'attention, à part sa grande performance avec
Richard Attenborough dans Le silence de la colère (1960). Elle a joué avec
Stewart Granger dans
Sodome et Gomorrhe (1963), dans le rôle de la femme de Loth. Elle jouait encore un bref rôle dans
La Bataille des Ardennes (1965). Il semblait qu'elle pourrait relancer sa carrière quand elle fut prise pour jouer un rôle dans
Le Parrain, mais elle est morte peu avant le tournage. Âgée de 39 ans, découragée et seule, souffrant de problèmes nerveux et en difficulté financière, Pier Angeli est morte suite à un choc anaphylactique après avoir reçu un tranquillisant de son médecin alors qu'elle faisait son retour à Hollywood avec Octaman. Une rumeur que son décès était en fait un suicide a circulé mais n'a jamais été officiellement confirmée.
Elle est enterrée dans le Cimetière des Bulvis à Rueil-Malmaison dans les Hauts-de-Seine.