Pierre-Yves Dietrich effectue ses études de médecine à Genève. Après une formation en médecine interne, il se spécialise en hémato-oncologie à Genève et à l’Institut Gustave Roussy, où il est, de 1991 à 1993, co-responsable de l’Unité d’immunothérapie. Il est également titulaire d’un diplôme en immunopathologie de l’Institut Pasteur. De retour à Genève, il crée en 1993 un laboratoire de recherche en immunologie des tumeurs cérébrales, dont les travaux permettent le développement clinique de la vaccination thérapeutique et de la thérapie cellulaire. Il prend la tête du Service d'oncologie des HUG en 2010, et est à l’origine de la création, en 2012, du Centre des cancers. En 2017, il devient le chef du nouveau Département d'oncologie des HUG, qui réunit l'oncologie médicale, l'hématologie et la radio-oncologie. Privat-docent de la Faculté de médecine de l’UNIGE en 1998, il est nommé professeur associé au Département de médecine interne (aujourd’hui Département de médecine) en 2005, puis professeur ordinaire en 2010.

Clinicien et chercheur, Pierre-Yves Dietrich plaide pour une médecine translationnelle et de précision centrée sur l’individu. Au travers du Swiss Cancer Center Léman, qu’il co-dirige, il est aussi très engagé dans une initiative lémanique visant à renforcer les synergies régionales afin de donner accès à des traitements innovants et d’améliorer l’attractivité des institutions genevoises et vaudoises. Lauréat de nombreux prix nationaux et internationaux en oncologie, il est nommé en 2013 Cancer Researcher of the Year par le Gateway for Cancer Research aux USA. Il est nommé professeur honoraire en octobre 2022.