Si laureò a Bari una prima volta in scienze politiche, su consiglio di Aldo Moro, allora ministro degli Esteri. Conseguì poi anche le lauree in giurisprudenza,scienze motorie e sportive e lettere.
Era coniugato con Manuela Olivieri, avvocatessa.
Nel 2000 il nome di Mennea tornò agli onori delle cronache quando l'Università degli Studi dell' Aquila, presso cui aveva partecipato a un concorso per la cattedra di Sistematica, regolamentazione e organizzazione dell'attività agonistica presso la facoltà di Scienze motorie, gli propose l'assunzione, dato che si era classificato primo in graduatoria, ma, giudicando la posizione di professore a contratto (istituto di diritto privato) incompatibile con la carica di membro del Parlamento Europeo(carica di natura pubblica), gli chiese le dimissioni da quest'ultima. La vicenda provocò polemiche e interrogazioni parlamentari.Tuttavia il Governo Amato II, rappresentato dall'allora Sottosegretario di Stato per l'Università e la Ricerca Scientifica e Tecnologica on.Luciano Guerzoni, diede ragione all'Università.
Mennea è stato docente a contratto di Legislazione europea delle attività motorie e sportive presso la Facoltà di Scienze dell'Educazione Motoria dell'Università "Gabriele d'Annunzio" di Chieti-Pescara.
Nel 2006 ha dato vita, insieme con la moglie, alla "Fondazione Pietro Mennea",onlus di carattere filantropico, che effettua donazioni e assistenza sociale ad enti caritatevoli o di ricerca medico-scientifica, associazioni culturali e sportive, attraverso progetti specifici. Lo scopo secondario è di carattere culturale e consiste nel diffondere lo sport e i suoi valori, nonché promuovere la lotta al doping.
Oltre alla carriera sportiva, ha operato come insegnante di educazione fisica, curatore fallimentare, eurodeputato (a Bruxelles dal 1999 al 2004) e commercialista.È stato, per alcuni mesi, anche direttore generale della Salernitana nell'annata 1998-1999.
Nel 2010, insieme con la consorte (entrambi legali con studio a Roma, ubicato vicino al Tribunale Civile), si occupava di class action negli Stati Uniti per difendere alcuni risparmiatori italiani finiti nel crac della Lehman Brothers.
Muore il 21 marzo 2013, all'età di 60 anni, in una clinica di Roma, a causa di un tumore al pancreas.
Mennea iniziò la sua lunga carriera atletica internazionale nel 1971, quando debuttò ai Campionati europei con un terzo posto nella staffetta 4x100 m e un sesto nei 200 metri. Fece il suo debutto olimpico a Monaco di Baviera, ai Giochi olimpici festivi del 1972, dove raggiunse la finale dei 200 m, la specialità nella quale era più forte.Tagliò il traguardo al terzo posto, dietro al sovietico Valerij Borzov e all'americano Larry Black. A questa sarebbero seguite altre tre finali olimpiche nella stessa specialità.
Ai Campionati europei del 1974, Mennea vinse l'oro nei 200 m davanti al pubblico di casa di Roma, e si piazzò secondo nei 100 m (dietro a Borzov, suo rivale storico) e nella staffetta veloce. Dopo alcune prestazioni deludenti, nel 1976 Mennea decise di saltare i Giochi Olimpici, ma il pubblico italiano protestò e Mennea andò a Monterèal. Riuscì a qualificarsi per la finale dei 200 m, ma vide l'oro finire nelle mani del giamaicano Don Quarrie, mentre lui finì ai piedi del podio, quarto. Lo stesso risultato, mancando di poco il bronzo, venne raggiunto nella staffetta 4x100 metri. Nel 1978, a Praga, difese con successo il suo titolo europeo dei 200 m, ma mostrò le sue doti anche sulla distanza più breve, vinta anch'essa. In quell'anno si aggiudicò anche l'oro nei 400 m piani agli europei al coperto.
Nel 1979, Mennea, studente di scienze politiche, prese parte alle Universiadi, che si disputavano sulla pista di Città del Messico. Il tempo con cui vinse i 200 m piani, 19"72, era il nuovo record del mondo: esso resistette per ben 17 anni, ma va tenuto conto del fatto che fu ottenuto correndo a oltre duemila metri di quota come del resto il precedente primato, stabilito da Tommie Smith sempre a Città del Messico (si noti comunque che Mennea detenne anche il record del mondo a livello del mare dal 1980 al 1983, con 19"96, tempo stabilito nella sua città natale, Barletta). Il record venne battuto da michael Johnson ai trials statunitensi per le Olimpiadi del 1996.
In quanto detentore del primato mondiale, Mennea era senz'altro uno dei favoriti per l'oro olimpico a Mosca anche a causa del boicottaggio statunitense delle Olimpiadi del 1980. Nella finale dei 200 m, Mennea affrontò il campione uscente Don Quarrie e il campione dei 100 m Allan Wells. Wells sembrò dirigersi verso una vittoria netta ma Mennea gli si avvicinò sul rettilineo e lo sopravanzò negli ultimi metri, aggiudicandosi l'oro per 2 centesimi di secondo. Vinse anche il bronzo con la staffetta 4x400 m.
Mennea, soprannominato la Freccia del Sud, nel 1981 annunciò il suo ritiro concedendosi più tempo per lo studio. Successivamente ritornò sui suoi passi e l'anno dopo prese parte agli europei gareggiando però solo nella 4x100 in cui arrivò quarto.
Il 22 marzo 1983 stabilì il primato mondiale (manuale) dei 150 metri piani, con 14"8 sulla pista dello stadio di Cassino: questo primato è ancora imbattuto, perché il tempo di 14"35 stabilito il 17 maggio 2009 da Usain Bolt a Manchester non è stato omologato dalla Federazione in quanto stabilito su pista rettilinea.
Successivamente partecipò alla prima edizione dei mondiali che si svolse ad Helsinki dove vinse la medaglia di bronzo nei 200 e quella d'argento con la staffetta 4x100. Un anno dopo, scese in pista nella sua quarta finale olimpica consecutiva dei 2000 m piani, primo atleta al mondo a compiere tale impresa. In quest'occasione, anche se campione uscente, terminò al settimo posto e, a fine stagione, si ritirò dalle competizioni per la seconda volta.
Ancora una volta, Mennea fece il suo ritorno e gareggiò nelle sue quinte Olimpiadi a Seul nel 1988, sempre nei 200 metri, dove si ritirò dopo aver superato il primo turno delle batterie. In quest'edizione dei Giochi fu alfiere portabandiera della squadra azzurra durante la cerimonia d'apertura.
Dal punto di vista tecnico Mennea aveva una partenza dai blocchi relativamente lenta ma progressivamente accelerava riuscendo a raggiungere velocità di punta superiori a qualunque atleta. Questa partenza lenta ha relativamente penalizzato le sue prestazioni sui 100 metri (dove comunque ha primeggiato a livello europeo), mentre le gare sui 200 si concludevano spesso con rimonte ai limiti del prodigioso (come la finale delle olimpiadi di Mosca). Sempre grazie alla sua eccezionale velocità di punta le ultime frazioni e le relative rimonte di Mennea nella 4x100 (nelle quali partiva lanciato) erano impressionanti per la superiorità sugli altri atleti.
Mennea era allenato dal marchigiano Carlo Vittori.Alle elezioni europee del 1999 è eletto deputato europeo nella lista I Democratici nella circoscrizione Sud e aderisce al Gruppo del Partito Europeo dei Liberali,deiu Democratici e dei Riformatori. Nel 2002 si è candidato a sindaco di Barletta con Forza Italia ma è sconfitto al primo turno. Il 4 febbraio 2002 aderisce al Gruppo del Partito Popolare Europeo e dal 7 luglio 2003 al Misto. Alle elezioni europpe del 2004 si ricandida nella lista PRI-Liberal Sgarbi ma non è eletto.Nel marzo del 2012 la città di Londra, nell'ambito delle iniziative connesse ai Giochi Olimpici di Londra 2012, dedica all'ex atleta barlettano una stazione della metropolitana cittadina (High Street Kensington)
Il 21 marzo 2013, nello stesso giorno della sua scomparsa, le Ferrovie dello Stato hanno deciso di intitolare a lui il primo Frecciarossa1000 che sarà in grado di raggiungere i 400 km/h.
