Laureato in medicina, si dedica inizialmente al giornalismo cinematografico collaborando a numerose testate ("Cinema", "Bianco e Nero", "Si gira", "Star"): in seguito, partecipa alla sceneggiatura di molte pellicole, da "Gioventù perduta" (1948) di
Germi a "Europa '51" (1952) di
Rossellini. Esordisce dietro la macchina da presa con "Il sole negli occhi" (1953), malinconica vicenda incentrata sulle disavventure di una cameriera, ove già s'annuncia quella predilezione per i ritratti femminili che caratterizzerà le sue cose più intense e riuscite. Se "Lo scapolo" (1955) e "Souvenir d'Italie" (1956) sono commedie alquanto convenzionali, solo in parte riscattate da puntute annotazioni di costume, "Nata di marzo" (1958) ed "Adua e le compagne" (1960) lo restituiscono alla sua vena migliore, ad un tempo di vigoroso narratore e fine cesellatore di psicologie. In "Fantasmi a Roma" (1960) egli percorre con originalità ed intelligenza i da noi poco battuti sentieri della commedia fantastica, ne "La parmigiana" (1962) tratteggia da par suo un quadro di provincia tra il malinconico ed il grottesco: e con "La visita" (1963), cronaca amara e risentita del breve incontro figliato da un annuncio matrimoniale, ottiene infine un primo risultato assoluto, grazie pure alla prova di un'eccelsa Sandra Milo. Dopo "Il magnifico cornuto" (1964), adattamento della pochade di Crommelynck all'insegna della satira sociale, Pietrangeli firma con "
Io la conoscevo bene" (1965) il suo capolavoro: concepito ben prima e rimandato per contrasti con la produzione, che voleva Natalie Wood o Brigitte Bardot nel ruolo che verrà poi superbamente interpretato da
Stefania Sandrelli, è l'analisi acuminata delle illusioni d'una giovane donna, attratta dal mito del benessere e dal miraggio della celebrità, fino ad una tragica sconfitta. Poco più tardi, Pietrangeli morirà men che cinquantenne, annegato nel mare di Gaeta durante le riprese di "Come, quando e perché": la prematura scomparsa ha privato il cinema italiano di uno tra i suoi autori più sensibili e rigorosi, come pochi capace d'indagare il reale con sguardo laico e partecipe.