Après des études à l'École nationale supérieure d'art dramatique, il débute au théâtre en 1996 et joue régulièrement sur scène jusqu'à présent. Ses interprétations les plus remarquées comprennent celles de Cléante dans "L'École des femmes" de Molière à la Comédie-Française, ainsi que celles d'Arthur dans "Les Nuits blanches" et de Jeanne dans "La Faute à Voltaire" aux Tours du Théâtre.
Il obtient son premier rôle à la télévision en 1997 dans le téléfilm "L'Épervier" et se fait rapidement connaître pour ses interprétations de personnages historiques, comme Louis XIV dans "Jean Sans Terre", Napoléon III dans "Napoléon" ou encore l'empereur François Ier dans "François Ier, le Grand".
En parallèle à sa carrière au théâtre et à la télévision, Pierre-Marie Delanoë travaille également comme doublage de films et séries télévisées. On peut l'entendre notamment dans les versions françaises de "La Guerre des mondes" (2005) où il double l'interprète du rôle principal Danneel Cheung, ou encore dans "The Flash" où il donne sa voix à Cisco Ramón.
En 2014, il participe à la série télévisée "Plus belle la vie" et interprète le personnage de Théo Jaurès. L'année suivante, il joue dans la comédie policière "La Môme Rouge". En 2017, on peut voir Pierre-Marie Delanoë dans le drame historique "Une histoire d'amour et de désir", ainsi qu'en 2018 dans le téléfilm "Le Dernier Château".
En 2020, il rejoint la distribution de la série télévisée "Les Bracelets rouges" aux côtés de Said Taghmaoui et Tchéky Karyo.
Pierre-Marie Delanoë est aussi actif dans le doublage pour le cinéma. Il a notamment participé à la version française des films "Spider-Man : L'Ombre du passé" (2014), "Captain America: Civil War" (2016) et "Avengers: Infinity War" (2018).