D'un père scénographe et d'une mère costumière pour l'Opéra de Strasbourg, Pio Marmai débute sa carrière sur les planches et suit avec assiduité les cours de comédie de la Scuola Commedia dell'Arte, du Conservatoire de Créteil et du Centre dramatique national de Saint-Etienne, se produisant pour la première fois sur scène en 2006-2007 dans "Les Temps difficiles" d'Edouard Bourdet et "Andréa del Sarto" d'Alfred de Musset. Avec sa compagnie La Quincaillerie Moderne, il met également en scène "A quoi pensent les Agneaux ?" qui se joue dans des festivals locaux et à Paris.

Remarqué au casting de la mini-série Rien dans les poches aux côtés d'Emma de Caunes, le comédien apparaît pour la première fois au cinéma dans la comédie Didine de Vincent Dietschy en 2008. On le retrouve la même année jouant les grands frères rebelles dans Le Premier jour du reste de ta vie de Rémi Bezançon, qui lui vaut une nomination au César du Meilleur Espoir masculin. Il renoue avec la comédie pure l'année suivante avec La Loi de Murphy, un film burlesque de Christophe Campos dont l'action se déroule dans le milieu hospitalier.

A partir de 2011, cependant, Pio Marmai semble privilégier le genre dramatique. Dans D'amour et d'eau fraîche d'Isabelle Czajka, il campe ainsi un jeune marginal vivant au jour le jour, entraînant dans sa course la très prometteuse Anaïs Demoustier, un rôle pour lequel il est à nouveau nommé au César du Meilleur Espoir. Il séquestre ensuite Kristin Scott Thomas dans le huis clos Contre toi de Lola Doillon, avant de goûter aux joies de la paternité aux côtés de Louise Bourgoin dans Un heureux événement de Rémi Bezançon. Parallèlement, il fait quelques apparitions à la télévision, notamment dans Mon père, Francis le Belge (2010) et Le pas Petit Poucet (id.).

Figure de proue d'un cinéma pointu et exigeant, l'acteur est la tête d'affiche d'Alyah (2012), où il campe Alex, un dealer qui rêve de tout quitter pour se rendre à Tel-Aviv. Toujours aux premiers plans, il se transforme en rêveur romantique errant dans le parc des Buttes-Chaumont aux côtés d'Agathe Bonitzer dans Les Nuits avec Théodore (2013). Il forme la même année un duo rocambolesque avec Jérémie Elkaïm dans la dramédie Grand Départ de Nicolas Mercier où il joue un frère psycho-rigide soudain bouleversé par la démence de son père (Eddy Mitchell).

L'acteur sort de son chapeau un nouveau personnage à la fantaisie prononcée chez Pierre Salvadori pour Dans la cour (2014) dans lequel il interprète Stéphane, un des habitants de l'immeuble et collectionneur maladif de bicyclettes qu'il entasse dans son appartement. Il est également à l'affiche de La Ritournelle avec Isabelle Huppert et de Maestro, un film-hommage à Jocelyn Quivrin où il incarne le pendant du défunt lors de sa rencontre avec Eric Rohmer pour Les Amours d'Astrée et de Céladon.

Communicant opportuniste (Des lendemains qui chantent), homosexuel se réveillant un matin dans le lit d'une ravissante Suédoise (Toute première fois) et partageant ses souvenirs avec son ami d'enfance (Nos futurs), Pio Marmai goûte ensuite à un univers plus sombre, rappelant celui d'Alyah, via Vendeur où il joue le fils de Gilbert Melki. En 2017, il est à l'affiche du nouveau film de Cédric Klapisch, Ce qui nous lie, un drame se déroulant dans le milieu viticole.