Dulong a commencé ses études scientifiques au collège royal de Besançon, en Franche-Comté. Après avoir obtenu son baccalauréat ès sciences à Dijon, il est entré à l'École polytechnique à Paris. En 1854, il a été transféré à l'École des mines, où il a reçu un diplôme en 1856.
Dulong a commencé sa carrière professionnelle comme ingénieur des mines dans le bassin minier du Nord-Pas-de-Calais. Cependant, il était déjà intéressé par la physique et la chimie, et en 1859, il a été nommé assistant de Jean Bernard Léon Foucault à l'Observatoire de Paris.
En 1860, Dulong a été nommé professeur de minéralogie à l'École centrale des arts et manufactures. En 1872, il a succédé à Jules Aimé Augustin Ferry en tant que professeur à l'École polytechnique, où il a enseigné jusqu'à sa retraite en 1903.
En plus de ses activités académiques, Dulong a été un ingénieur consulant pour plusieurs entreprises françaises et étrangères. Il a également été membre de nombreuses sociétés savantes françaises et étrangères, dont l'Académie des sciences, où il a siégé de 1895 à sa mort en 1916.
Les travaux de Dulong ont porté sur une large gamme de sujets scientifiques, mais ses contributions les plus importantes ont été dans le domaine de la lumière et de l'électricité. Il a notamment réalisé des expériences pour déterminer la vitesse de propagation de la lumière dans différents matériaux optiques, ce qui a abouti à l'élaboration d'un nouvel instrument, le spectrophotomètre, pour mesurer précisément les longueurs d'onde des raies spectrales.
En plus de sa carrière scientifique, Dulong était un amateur passionné de musique et de peinture. Il a également été un éminent collectionneur d'artistes du XIXe siècle. Ses collections sont aujourd'hui conservées à la Bibliothèque nationale de France.
Enfin, il faut noter que Pierre Dulong a été décoré de nombreuses distinctions académiques et honorifiques françaises et étrangères. Il a notamment reçu la Légion d'honneur en 1876.