Laureato in Filosofia della Scienza a Milano, si è poi specializzato negli Stati Uniti, conseguendo un Dottorato e facendo ricerca in biologia evolutiva e filosofia della biologia, all'American Museum of Natural History di New York. Dal 2005 al 2012 è stato professore associato di Filosofia della Scienza all’Università degli Studi di Milano-Bicocca, insegnado epistemologia. Dal 2007 è stato inoltre vicedirettore del dipartimento di Scienze Umane per la Formazione “Riccardo Massa” e vicepresidente del corso di laurea in Scienze dell’Educazione. Dal 2012 insegna Filosofia delle Scienze Biologiche (prima cattedra in Italia) all'Università di Padova. Grande comunicatore scientifico, dal 2013 fa parte del Comitato Scientifico di BergamoScienza, è stato segretario del consiglio scientifico e coordinatore del Festival della Scienza di Genova, e con Vittorio Bo, è stato direttore scientifico del Festival delle Scienze di Roma. Collabora con le riviste  «Evolutionary Biology», «Evolution: Education and Outreach», è direttore di Pikaia, il portale italiano dell’evoluzione, è membro del comitato di programma delle conferenze mondiali di Venezia, «The Future of Science», promosse dalla fondazione Umberto Veronesi. Telmo Pievani è membro del comitato editoriale de «L’Indice dei libri». Collabora regolarmente con riviste e giornali, fra i quali citiamo «La Stampa», «Le Scienze», «Il Corriere della Sera» e «Micromega». Insieme a Niles Eldredge, è direttore scientifico del progetto enciclopedico «Il futuro del pianeta» di UTET Grandi Opere. È stato curatore di molte mostre di divulgazione scientifica: ricordiamo l’edizione italiana della mostra internazionale «Darwin 1809-2009», con Niles Eldredge e Ian Tattersall; il progetto espositivo internazionale «Homo sapiens: la grande storia della diversità umana» con Luigi Cavalli Sforza e il «Darwin Day» di Milano. Oltre a essere membro della Società italiana di biologia evoluzionistica, nel 2007 è stato nominato Socio corrispondente non residente della classe di Scienze Fisiche, Matematiche e Naturali dell’Istituto veneto di scienze, lettere ed arti. Dal 2013 è anche Socio corrispondente dell’Accademia delle Scienze di Torino per la classe di Scienze. Tra le sue numerose pubblicazioni, ricordiamo Il management dell'unicità. Organizzazione, evoluzione, formazione (scritto con Giuseppe Varchetta, Guerini e associati, 1999), Homo sapiens e altre catastrofi. Per un'archeologia della globalizzazione (Booklet Milano, 2002), Introduzione alla filosofia della biologia (Laterza, 2005), Chi ha paura di Darwin? (scritto con Ernesto Capanna e Alberto Redi, Ibis, 2006), Creazione senza Dio (Einaudi, 2006), In difesa di Darwin. Piccolo bestiario dell'antievoluzionismo all'italiana (Bompiani, 2007), Le sante ragioni (scritto con Chiara Castellacci, Chiarelettere, 2007), Nati per credere. Perché il nostro cervello sembra predisposto a fraintendere la teoria di Darwin (scritto con Vittorio Girotto e Giorgio Vallortigara, Codice, 2008), La teoria dell'evoluzione (Il Mulino, 2010), La vita inaspettata. Il fascino di un'evoluzione che non ci aveva previsto (Raffaello Cortina, 2011, per il quale ha ricevuto la menzione speciale della giuria del Premio Scienza e letteratura-Merck Serono), Homo sapiens. Il cammino dell'umanità (De Agostini, 2012), Introduzione a Darwin (Laterza, 2012), La fine del mondo. Guida per apocalittici perplessi (Il Mulino, 2012), Anatomia di una rivoluzione. La logica della scoperta scientifica di Darwin (Mimesis, 2013), Evoluti e abbandonati. Sesso, politica, morale: Darwin spiega proprio tutto? (Einaudi, 2014) e Il maschio è inutile. Un saggio quasi filosofico (scritto con Federico Taddia, Rizzoli, 2014). Per i bambini ha scritto, sempre con Federico Taddia, Perché siamo parenti delle galline? E tante altre domande sull'evoluzione (Editoriale Scienza, 2010). Per Einaudi ha inoltre curato l'edizione italiana di Esplorazioni evolutive di Stuart Kauffman (2005) e quelle di Charles Darwin, L'origine delle specie (2009) e Lettere sulla religione (2013).