Pio Marmai inicia su carrera sobre los escenarios como actor y director. Tras un breve paso por la televisión, se lanza al cine. En 2008 es nominado al César al mejor actor revelación por su interpretación de hermano mayor rebelde en "El primer día del resto de tu vida" ("Le Premier jour du reste de ta vie"), de Rémi Bezançon. Desde 2011, Pio Marmai parece decantarse por el género dramático, en el que destaca especialmente por su papel de secuestrador en "Contra ti" ("Contre Toi"), película en la que comparte reparto con Kristin Scott Thomas. Su elección demuestra ser acertada, ya que Marmai recibe una nueva nominación al César al mejor actor revelación por su trabajo en "De amor y de agua fresca", de Isabelle Czajka.