Après avoir étudié la peinture à l'Académie des beaux-arts, Pietro Marcello fait ses débuts en 2000 comme assistant réalisateur pour le documentaire Gennarino de Leonardo Di Costanzo.

En 2007 il tourne Il passaggio della linea, documentaire tourné de nuit sur les trains express italiens. En 2009, il réalise le documentaire dramatique La bocca del lupo, qui remporte le Torino Film Festival puis le Nastro d'Argento, le David di Donatello du meilleur documentaire et le prix Vittorio De Seta au Bif&st 2010 du meilleur documentaire.

En 2011 il présente deux documentaires au Festival de Venise : Il silenzio di Pelešjan, sur le réalisateur d'avant garde Artavazd Pelechian, et Marco Bellocchio, Venezia 2011, un bref portrait du réalisateur Marco Bellocchio.

En 2015 Pietro Marcello présente le long métrage Bella e perduta au Festival de Locarno.