Parallèlement, dès 1915, il apparut furtivement sur les écrans avant de vraiment commencer sa carrière cinématographique cinq ans plus tard, tout en pensant que le cinéma parlant était un monstre non viable... Resté à l’écart du 7ème art quelque temps, le succès retentissant de la pièce de Pagnol, Marius (1929), où il interprétait le rôle titre, sa transposition au cinéma (1931) et sa rencontre avec Yvonne Printemps allaient lancer sa carrière.
Considéré comme l’un des plus grands acteurs français, après La Grande illusion (1937), chef-d’œuvre dont il partageait l’affiche avec Eric Von Stroheim et Jean Gabin, sa grande période se situa principalement entre 1941 et 1944 : Le Dernier des six, L’Assassin habite au 21, Le Corbeau, etc.
A la Libération, inquiété pour avoir travaillé à la Continental, firme allemande, sa carrière reprit avec Monsieur Vincent, où il campait un admirable saint Vincent de Paul.
Homme rigoureux, pour ne pas dire rigoriste, soucieux de la hiérarchie, pour ne pas dire élitiste, respectueux des traditions, pour ne pas dire réactionnaire, il n'eut aucun mal à entrer dans la peau du Marquis de Maubrun, patriarche d'une noble famille en état de décomposition avancé dans Les Aristocrates (1955).
Délaissant de plus en plus le cinéma, se fourvoyant dans des films bien éloignés de son immense talent, puis déçu par Les Vieux de la Vieille (1960), histoire de trois vieillards en vadrouille où il n’était guère mis en valeur, il tira sa révérence au grand écran pour se contenter de prêter sa voix à quelques documentaires.
Il se consacra exclusivement au théâtre, qu’il n'a jamais vraiment abandonné, en prenant notamment la direction du théâtre de la Michodière avec Yvonne Printemps.
Subissant sans broncher les souffrances et les rebuffades que lui infligeaient sa compagne, il fut toujours très jaloux de conserver dans sa vie privée cette part d'ombre dont le privait les projecteurs.
Il était l'oncle de Roland Laudenbach (1921-1991), fondateur des éditions de La Table Ronde et de l'acteur Philippe Laudenbach (né en 1936).
Pierre Fresnay fut inhumé au cimetière ancien de Neuilly-sur-Seine. Sur sa tombe, un autre nom, celui d’Yvonne Printemps...