Pierre Niney débute sa carrière de comédien au théâtre, à l'âge de 11 ans. Rapidement, il montre qu'il a du talent et est admis au cours Florent avant de devenir le plus jeune pensionnaire de la Comédie-Française à 21 ans. En 2007, il obtient un petit rôle au cinéma dans la comédie Nos 18 ans. Niney poursuit sa carrière avec des films d'auteurs : il tourne dans un court métrage de Nicolas Klotz et Elisabeth Perceval (La Consolation) et dans L'Armée du crime de Robert Guédiguian (qu'il retrouve en 2010 pour Les Neiges du Kilimandjaro).

Avec Grégoire Leprince-Ringuet, il plonge dans L'Autre monde (2010) de Gilles Marchand. Après la comédie Les Emotifs anonymes, dans laquelle il croise Benoît Poelvoorde et Isabelle Carré, Pierre Niney obtient son premier grand rôle au cinéma dans J'aime regarder les filles (2011) de Frédéric Louf. La profession le remarque alors : il est ainsi nominé pour la première fois aux César comme Meilleur Espoir et remporte un prix au festival de Cabourg. Il prend ensuite la route accompagné de François-Xavier Demaison et de Nicolas Duvauchelle dans la comédie Comme des frères (2012).

Bien établi dans le paysage cinématographique français, Pierre Niney voit son année 2013 marquée par son rôle de Balthazar dans 20 ans d'écart, où il forme un couple pétillant avec Virginie Efira. Derrière, il repasse par la case théâtre où il se produit dans Phèdre avant de se glisser dans la peau d'Yves Saint Laurent, le célèbre couturier mort en 2008 et qu'il campe devant la caméra de Jalil Lespert.

Après ce rôle fort, Pierre Niney campe un jeune écrivain usurpateur pris à son propre piège dans Un homme idéal, tient le haut de l'affiche du François Ozon Frantz, se glisse dans la peau du fils du commandant Cousteau dans L'Odyssée et enfin porte le film d'aventure initiatique La Promesse de l'aube d'Eric Barbier. Parallèlement, il s'improvise dealer en compagnie de ses potes dans la comédie Five, premier long métrage d'Igor Gotesman. Habitué aux rôles difficiles, il joue aussi un sapeur-pompier cherchant à réapprendre à vivre après un grave accident.

Pierre Niney est ensuite à l'affiche de deux thrillers, Amants et Boîte noire, avant de rejoindre Jean Dujardin dans OSS 117 : Alerte rouge en Afrique noire de Nicolas Bedos, troisième volet consacré aux aventures de l'hilarant Hubert Bonisseur de La Bath.