Ordonné prêtre le 15 août 1984,  il a été appelé par le cardinal Jean-Marie Lustiger pour devenir son secrétaire particulier, charge qu'il a assumée de 1986 à 1991.

Nommé évêque auxiliaire de Paris le 4 juillet 1997, il est consacré le 10 octobre de la même année par l'archevêque de Paris, le cardinal Jean-Marie Lustiger.

Le 19 octobre 2006, il est nommé archevêque coadjuteur de Rennes.  

En 2007, le pape Benoît XVI fait de Pierre d'Ornellas l'accompagnateur spirituel de la Communauté de l’Arche.

Il devient l'archevêque de Rennes, Dol et Saint-Malo le 26 mars 2007.

Au sein de la Conférences des Evêques de France, il est président du comité études et projets, responsable du groupe de travail "Bioéthique" et responsable du groupe de travail en vue des États généraux de la bioéthique

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Bibliographie

• Liberté, que dis-tu de toi-même?, éd. Parole et Silence (1999)

• Au bonheur des béatitudes, éd. Parole et Silence (2004)

• La miséricorde dessine l'image de mon pontificat - Jean-Paul II, éd. Parole et Silence (2006)

• Sainte Thérèse de l'enfant Jésus, éd. Parole et Silence (2007)

• Pierre d'Ornellas, Bioéthique : Questions pour un discernement, Desclée De Brouwer, coll. « Documents d'Église », 2009 

• Une écologie digne de l'homme ? Développement durable et bioéthique, avec Nathalie Kosciusko-Morizet, coll. controverses, éditions Salvator, septembre 2010 

• C'est la miséricorde que je veux, éd. Parole et Silence, janvier 2016 

• Pour une économie humaine, éd. Salvator, avril 2017

• Bioéthique Quelle société voulons-nous pour aujourd’hui et demain ?, éd. Ballan, mars 2019

• Bioéthique : Que voulons-nous ? Discerner des enjeux d’humanité, éd. Bayard/Cerf/Mame, septembre 2019