Pierre Serne est administrateur territorial, diplômé de l'Ecole normale supérieure (Ulm) et agrégé d'histoire et diplômé en sciences sociales et politiques. Il a entamé sa carrière en tant qu'enseignant-chercheur à l'Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne et à Science Po Paris entre 1996 et 2000.
Il entre ensuite au cabinet de Dominique Voynet, ministre de l'Aménagement du territoire et de l'Environnement, puis d'Yves Cochet à ce même ministère en 2001. S'ensuit des missions de direction des cabinets de Khédidja Bourcart et Denis Baupin, adjoints au Maire de Paris.
Il est conseiller municipal (EELV) de Vincennes (94) depuis 2001, et conseiller régional d'Ile-de-France depuis 2010 ainsi que 2e vice-président de la région chargé des transports et des mobilités. Il occupe en parallèle la vice-présidence du Syndicat des transports d'Ile-de-France (STIF). Pierre Serne est également administrateur de la Fondation Danielle Mitterrand France Libertés.