Nacido en Nahalal (Israel), Pnueli recibió su licenciatura en Matemáticas en el Technion de Haifa, y su doctorado en matemática aplicada por el Instituto Científico Weizmann.
Su tesis trata del «Cálculo de Mareas en el Océano».
Durante una estancia postdoctoral en la Universidad de Stanford, cambió su campo de interés.
Regresó a Israel como investigador, y tras una serie de ascensos académicos se convirtió en profesor de Ciencias de la Computación en el Instituto Weizmann en 1981.
Además, durante su carrera Pnueli ha fundado dos compañías tecnológicas.