Nato nel 1946 a Conegliano (TV), Piero Benvenuti è laureato in Fisica all'Università di Padova, dove inizia la sua attività professionale quale Astronomo presso l’Osservatorio di Asiago.

Nel 1977 si trasferisce presso l’Osservatorio Spaziale IUE dell’Agenzia Spaziale Europea, a Villafranca del Castillo (Madrid), in qualità di Astronomo Residente. Nel 1981 diviene staff member dell’Agenzia Spaziale Europea e assume la carica di Direttore dell’Osservatorio IUE.

Dal 1984 al 2003 è stato Responsabile Scientifico europeo del progetto “Hubble” (progetto in collaborazione tra la NASA e l’ESA) per conto dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA HST Project Scientist) e ha diretto il Centro ESA per il Telescopio Spaziale “Hubble” (Space Telescope European Coordinating Facility) presso l’ESO (European Southern Observatory) a Monaco di Baviera.

Dal 1986 al 2005 è Professore Ordinario di Astrofisica presso il Dipartimento di Scienze Fisiche delll’Università di Cagliari. Nel 2005 si è trasferito presso il dipartimento di Astronomia dell’Università di Padova come Ordinario di Astrofisica delle alte energie.

Negli anni 2000-02 è responsabile del progetto AstroVirTel (Telescopio Virtuale) e responsabile ESA nel Progetto AVO(Astrophysical Virtual Telescope), entrambi finanziati dalla Commissione Europea nell’ambito del 5° Framework Plan.

Nel giugno 2003 è nominato Commissario straordinario per la riforma dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), di cui, nell’ottobre 2004, è nominato Presidente.

Nel giugno 2007 è nominato Consigliere di Amministrazione dell’ASI.

Dal 2015 al 2018 è Segretario Generale dell'Unione Astronomica Internazionale (UAI).