Ai Campionati europei del 1974, Mennea vinse l'oro nei 200 m davanti al pubblico di casa diRoma, e si piazzò secondo nei 100 m (dietro a Borzov, suo rivale storico) e nella staffetta veloce. Dopo alcune prestazioni deludenti, nel 1976 Mennea decise di saltare i Giochi olimpici, ma il pubblico italiano protestò, e Mennea andò a Montreal. Riuscì a qualificarsi per la finale, ma vide l'oro finire nelle mani del giamaicano Don Quarrie, mentre a lui finì ai piedi del podio, quarto. Lo stesso risultato, mancando di poco il bronzo, venne raggiunto nella staffetta 4x100. Nel 1978, a Praga, difese con successo il suo titolo europeo dei 200 m, ma mostrò le sue doti anche sulla distanza più breve, vinta anch'essa. In quell'anno si aggiudicò anche l'oro nei 400 m agli europei al coperto.

Nel 1979, Mennea, studente di scienze politiche, prese parte alle Universiadi, che si disputavano sulla pista di Città del Messico. Il tempo con cui vinse i 200 m, 19"72, era il nuovo record del mondo: esso resistette per ben 17 anni, ma va tenuto conto del fatto che fu ottenuto correndo a oltre duemila metri di quota (si noti comunque che Mennea detenne anche il record del mondo a livello del mare dal 1980 al 1983, con 19"96, tempo stabilito nella sua città natale, Barletta). Il record venne battuto da Michael Johnson agli US Trials per le Olimpiadi del 1996.

In quanto detentore del primato mondiale, Mennea era senz'altro uno dei favoriti per l'oro olimpico a Mosca anche a causa del boicottaggio statunitense delle Olimpiadi del 1980. Nella finale dei 200, Mennea affrontò il campione uscente Don Quarrie e il campione dei 100Allan Wells. Wells sembrò dirigersi verso una vittoria netta ma Mennea gli si avvicinò sul rettilineo e lo sopravanzò negli ultimi metri, aggiudicandosi l'oro per 2 centesimi di secondo. Si aggiudicò anche il bronzo con la staffetta 4x400.

Mennea, soprannominato la Freccia del Sud, nel 1981 annunciò il suo ritiro concedendosi più tempo per lo studio. Comunque ritornò sui suoi passi e l'anno dopo prese parte aglieuropei gareggiando però solo nella 4x100 che arrivò quarta.

Il 22 marzo 1983 stabilì il primato mondiale (manuale) dei 150 metri piani, con 14,8 secondi sulla pista dello stadio Comunale di Cassino. Questo primato è stato battuto il 17 maggio 2009 da Usain Bolt, che in una gara svoltasi a Manchester ha coperto la distanza in un tempo di 14"35. Successivamente partecipò alla prima edizione dei mondiali che si svolse ad Helsinki dove vinse la medaglia di bronzo nei 200 e quella d'argento con la staffetta 4x100. Un anno dopo, scese in pista nella sua quarta finale olimpica consecutiva dei 200, primo atleta al mondo a compiere tale impresa. In quest'occasione, anche se campione uscente, terminò al settimo posto e, a fine stagione, si ritirò dalle competizioni per la seconda volta.

Ancora una volta, Mennea fece il suo ritorno e gareggiò nelle sue quinte Olimpiadi a Seul, sempre nei 200, dove si ritirò dopo aver superato il primo turno delle batterie. In quest'edizione dei giochi fu alfiere portabandiera della squadra azzurra durante la cerimonia d'apertura.

Dopo essersi laureato in giurisprudenza, scienze politiche e scienze dell'educazione motoria, oggi Pietro Mennea esercita la professione di avvocato ed è autore di numerosi libri. È stato eletto al Parlamento europeo nel 1999.

Nel 2000 il nome di Mennea tornò agli onori delle cronache quando l'Università dell'Aquila, presso cui aveva partecipato ad un concorso per la cattedra di Sistematica, regolamentazione e organizzazione dell'attività agonistica presso la Facoltà di Scienze Motorie, gli negò l'assunzione nonostante si fosse classificato primo in graduatoria. La vicenda provocò polemiche ed interrogazioni parlamentari.

Attualmente Mennea è docente a contratto di Legislazione europea delle attività motorie e sportive presso la Facoltà di Scienze dell’Educazione Motoria dell'Università "Gabriele d'Annunzio" di Chieti - Pescara.

Nel 2006 ha dato vita insieme alla moglie Manuela Olivieri alla Fondazione Pietro Mennea Onlus, con lo scopo primario di carattere filantropico, ossia effettuare donazioni costanti nel tempo ed assistenza sociale ad enti caritatevoli o di ricerca medico-scientifica, associazioni culturali e sportive, attraverso progetti specifici e concreti. Lo scopo secondario è di carattere culturale, e consiste nel diffondere lo sport ed i suoi valori, nonché promuovere la lotta al doping, che è diventata una triste piaga per lo sport e la nostra società.

Da sempre Mennea è sensibile ai temi sociali e dell'infanzia, dal 2008 è testimonial di Giù le mani dai bambini, la più visibile campagna italiana per la farmacovigilanza pediatrica, che si batte contro la disinvolta somministrazione di psicofarmaci ai bambini.