Alors qu'il envisageait de poursuivre ses études en école de commerce après un bac littéraire, Pierre Deladonchamps se lance finalement dans une formation théâtrale dans sa ville natale de Nancy. Il emménage en 2001 à Paris, où il est élève au Cours Florent. Les premiers pas sont timides et le jeune homme doit se contenter pour ses premiers rôles de quelques apparitions dans des séries télévisées (Famille d'accueil, Engrenages, Central Nuit, R.I.S. Police scientifique) ou des téléfilms (L'amour en jeu). Après la naissance de sa fille en 2010, il décide de rentrer en Lorraine.

C'est en 2013 que Pierre Deladonchamps se fait véritablement remarquer, grâce à son premier grand rôle dans le chef-d'oeuvre d'Alain Guiraudie, L'Inconnu du Lac. Il y joue Franck, un homme prêt à tout pour vivre une dangereuse passion avec le ténébreux Michel ; ce rôle lui vaut de remporter le César du Meilleur espoir masculin en 2014. L'acteur se fait désormais une place au cinéma et tourne pour Philippe Claudel dans Une enfance, puis s'essaye à la science-fiction dans House of Time et dans la série dystopique Trepalium, diffusée sur Arte, qu'il emmène aux côtés de Léonie Simaga et de la regrettée Ronit Elkabetz. En 2016, il est à l'affiche de deux films familiaux signés de réalisateurs qui comptent dans le paysage cinématographique français : Le Fils de Jean de Philippe Lioret et Éternité de Tran Anh Hung.

Soldat déserteur se faisant passer pour une femme dans Nos Années Folles d'André Téchiné, Pierre Deladonchamps est ensuite à l'affiche d'un autre film se déroulant pendant l'une des deux guerres mondiales : Nos patriotes. Dans Plaire, aimer et courir vite de Christophe Honoré, présenté à Cannes en sélection officielle, l'acteur incarne Jacques, un écrivain homosexuel qui a une histoire d'amour passionnée avec le personnage de Vincent Lacoste. Il prend également des risques avec Les Chatouilles où il campe un pédophile et côtoie Vanessa Paradis ainsi que Camille Cottin dans Photo de famille, une comédie transgénérationnelle touchante.

Après avoir pris part à un triangle amoureux sur fond d'écologie dans Le Vent tourne, le natif de Nancy campe un second rôle dans l'original Notre dame de Valérie Donzelli et le biopic Madame Claude de Sylvie Verheyd. Mais surtout, l'acteur livre une performance mémorable en tueur en série froid et réaliste dans Vaurien en 2021. Cette même année, il rejoint Romain Duris dans Eiffel, consacré au célèbre constructeur du 19ème siècle.