Après avoir fait des études d'art dramatique, et être ressorti de l'académie d'Art Dramatique avec un diplôme, Pierfrancesco Favino débute sa carrière sur le petit écran en 1991, pour apparaître sur le grand quatre ans plus tard. Son visage aux traits très méditerranéens lui pernet de jouer des rôles très diversifiés. Le film "El Alamein" lui vaut une double nomination. Déjà très remarqué dans ce film, en 2001, il devient une star grâce au film "L'ultimo bacio". L'année suivante, il joue dans la seconde oeuvre cinématographique du chanteur de rock Luciano Ligabue, "Da zero a dieci", une comédie dramatique dans laquelle il interprète le rôle d'un des amis du personnage principal; le film a eu un grand succès public et critique. A partir de là, et jusqu'en 2004, ses films auront moins de succès. C'est
Gianni Amelio avec "Le chiavi di casa" qui remportera le succès tant attendu pendant deux ans. En 2005, il joue l'un des trois rôles principaux du film "Romanzo Criminale" de
Michele Placido, et fait revivre le cycliste italien Gino Bartali dans un téléfilm biographique. Ce téléfilm sera l'un des plus gros succès télévisuels de 2005, tandis que "Romanzo Criminale" est le film italien ayant attiré le plus de spectateurs cette même année.
En 2009, il interprète le rôle de l'inspecteur Olivetti dans l'adaptation cinématographique du roman de Dan Brown : Anges et Démons.