Pierre-Marie Lledo est ancien élève de l'Ecole Normale Supérieure. En 1988, il obtient un DEA en Neurosciences et Pharmacologie. En 1992, il soutient sa thèse de doctorat en neurosciences à l'Université de Bordeaux.
C'est là qu'il assure des activités de recherche à l'Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) et d'enseignements universitaires, de 1989 à 1992. C'est également en 1992 qu'il intègre le Centre National de la Recherche Scientifique (C.N.R.S.). Depuis novembre 2001, il dirige le laboratoire « Perception et Mémoire » à l'Institut Pasteur, et le laboratoire « Gène et Cognition » du CNRS.

Depuis janvier 2002, il a été nommé directeur d'enseignement à l'Institut Pasteur, puis élu à l'Académie européenne des sciences en mars 2006 et élu à l'Académie des sciences de New York en Septembre 2009. Enfin, le Pr. Lledo a reçu le grand Prix de l'Académie nationale de médecine pour ses travaux sur la régénération cérébrale en 2007, le Prix « Jaffé » de l'Académie nationale des sciences en 2008, le prix de neurologie de la Fondation pour la recherche médicale en 2010, le prix «Neuroscience» de l'Académie nationale des sciences en 2012, le Grand Prix de la Fondation Prince Louis de Polignac en 2013 et le Grand Prix Spécial du Jury de la Fondation Roger de Spoelberch en 2015.

Il a été professeur invité à l'Université de Harvard à Cambridge (USA) de 2008 à 2015. Il dirige actuellement le département de Neuroscience à l'Institut Pasteur. Il a publié Un cerveau sur mesure avec Jean- Didier Vincent (Editions Odile Jacob).