Le Pichon passe son enfance entre l'Indochine et la France, puis poursuit des études supérieures en métropole. Très tôt, il se passionne pour les sciences de la Terre et s'oriente vers la géophysique, discipline en plein essor dans les années 1950. Il entre à l'École Normale Supérieure, où il reçoit une solide formation scientifique, et s'engage dans une carrière de recherche marquée par une curiosité profonde pour les mécanismes de la planète.

Il commence à se faire connaître au début des années 1960, au moment où les sciences de la Terre connaissent une véritable révolution. Les expéditions océanographiques, les nouvelles techniques bouleversent les conceptions traditionnelles de la géologie. Les mesures paléomagnétiques montrent que les fonds océaniques s'écartent le long des dorsales, les données sismiques révèlent des zones profondes de subduction, et la cartographie océanographique décrit pour la première fois une vision globale des reliefs sous-marins. Wegener avait eu l'intuition de la dérive des continents, mais il manquait un cadre mécanique et quantifiable. Le Pichon, formé à la géophysique et doté d'une grande capacité de synthèse, s'immerge dans ce foisonnement de découvertes. 

En 1968, il rassemble l'ensemble de ces observations pour construire un modèle global de la planète. Il imagine la surface de la Terre comme découpée en un petit nombre de grandes plaques rigides, séparées par trois types de limites : les dorsales, où elles s'écartent et produisent de la croûte océanique neuve, les zones de subduction, où elles s'enfoncent dans le manteau, et les failles transformantes, où elles coulissent horizontalement. Il applique la géométrie des rotations à ces plaques et démontre que leurs mouvements peuvent être décrits de façon cohérente par des lois simples, vérifiables sur les données disponibles. Il présente pour la première fois une carte complète du globe où chaque plaque est identifiée et mise en mouvement.

Par cette synthèse, il transforme une accumulation de faits dispersés en une théorie unifiée qui explique la dynamique de la lithosphère. Il montre que les séismes se concentrent le long des frontières de plaques, que l'expansion des océans est équilibrée par la subduction, et que l'ensemble du système obéit à une logique mécanique d'échelle planétaire. Le Pichon ne se contente pas d'illustrer les idées naissantes : il fournit le premier cadre quantitatif qui permet de prédire et de calculer les mouvements tectoniques.

Sa contribution est immédiatement reconnue comme fondatrice. Elle donne aux  géologues un outil intellectuel puissant pour interpréter les chaînes de montagnes, les bassins océaniques, les séismes et les volcans. En reliant les phénomènes locaux à une mécanique globale, Le Pichon ouvre ainsi la voie à toute la recherche moderne en géodynamique, et son modèle reste encore aujourd'hui une référence dans l'enseignement et la compréhension de la tectonique des plaques.

Parallèlement, il développe une carrière académique internationale. Il enseigne à l'Université de Paris, puis devient professeur au Collège de France en 1986, où il occupe la chaire de géodynamique jusqu'à sa retraite. Ses cours et ses recherches couvrent non seulement la mécanique des plaques mais aussi la dynamique profonde du manteau terrestre, les séismes et l'évolution à long terme du climat. Il participe à de nombreuses expéditions océanographiques, en Méditerranée, dans l'océan Indien et dans le Pacifique, qui ont aidé à mieux comprendre la structure des marges continentales et l'histoire des bassins océaniques.

Scientifique de premier plan, il s'intéresse aussi aux dimensions humaines et philosophiques de la connaissance. Très croyant, il réfléchit sur les liens entre science et religion et sur la place de la fragilité humaine dans l'évolution de l'humanité. À partir des années 1990, il s'engage dans des communautés d'accueil de personnes en grande précarité ou handicapées, convaincu que la solidarité et la vulnérabilité partagée éclairent le sens profond de la vie en société. Cet engagement personnel, en parallèle de son activité scientifique, fait de lui une figure singulière et respectée. Même après sa retraite académique, il continuera à publier, à dialoguer avec les chercheurs et à intervenir dans le débat public sur les questions environnementales et humaines. Tout au long de sa carrière, il aura reçu de nombreuses distinctions, parmi lesquelles le prix Crafoord, attribué par l'Académie royale des sciences de Suède, qui honore les chercheurs en dehors des champs du prix Nobel.