Très tôt intéressé par le théâtre, il entre au Conservatoire national supérieur d'art dramatique de Paris, d'où il sort, en 1907, avec un premier prix de tragédie. Il joue d'abord au boulevard. Peu intéressé par le cinéma muet, il tourne cependant, dès 1910, quelques petits rôles, notamment aux côtés de la tragédienne Véra Sergine, qu'il épouse par la suite. En 1913, naît de cette union Claude Renoir, devenu directeur de la photographie.
Grièvement blessé pendant la Première Guerre mondiale, il perd l'usage de l'avant-bras droit. Réformé, il reprend sa carrière de comédien. Il est engagé en 1928 par Louis Jouvet dans sa prestigieuse troupe, où il crée plusieurs pièces de Jean Giraudoux.
A la naissance du cinéma parlant, il est convaincu par son frère Jean Renoir de travailler pour le cinéma. Il joue ainsi son premier grand rôle en 1932 dans La Nuit du carrefour dirigé par son frère Jean, en incarnant le Commissaire Maigret. Jean Renoir l'a également dirigé dans La Fille de l'eau,
Madame Bovary et
La Marseillaise.
Après avoir divorcé de Véra Sergine, Pierre Renoir épouse une autre comédienne, Marie-Louise Iribe, avec laquelle il crée une société de production de films Les Artistes réunis. Après un nouveau divorce, il épouse une autre comédienne, Elisa Ruis.
C'est en 1935, avec son rôle d'officier dans La Bandera, que lui vient une plus large reconnaissance. Incarnant souvent des officiers à l'écran, il apporte à ses rôles son charisme et son physique imposant. En novembre 1935 il a joué Ulysse dans La guerre de Troie n'aura pas lieu de Jean Giraudoux (Louis Jouvet jouait Hector). En 1951 il joue pour la dernière fois aux côtés de son ami Louis Jouvet dans Knock. Jusqu'à sa mort, il a assuré l'administration du Théâtre de l'Athénée.
Pierre Renoir est apparu dans près de 65 films.
Il était le filleul du peintre Gustave Caillebotte, ami intime de son père Auguste Renoir.
Pierre Renoir repose au cimetière d'Essoyes (Aube), le village natal de sa mère, aux côtés de son père, de sa mère et de ses deux frères.