Tanulmányait a budapesti Műegyetemen kezdte, s a moszkvai Lomonoszov Egyetemen fejezte be 1954-ben. Az egyetem Szerves Katalízis Tanszékén volt aspiráns. Később az MTA Központi Kémiai Kutatóintézetének tudományos főmunkatársa, majd igazgatója volt. 1971-től 1978-ig az Országos Atomenergia Bizottság helyettes elnöke, 1985-től 1989-ig pedig az elnöke volt.
1985-ben a Magyar Tudományos Akadémia rendes tagjává választották. 1985-től 1989-ig volt az MTA alelnöke. 1989-től 1995-ig az MTA főtitkárhelyettese, 1995-től 1999-ig főtitkára volt. 1995 és 1999 között az Eötvös Loránd Fizikai Társulat elnöke volt.
Tétényi Pál az MTA különböző bizottságainak elnöke vagy tagja volt, így az Anyagtudományi Szakbizottságnak, a Fizikai Laboratóriumi Szakbizottságnak, a Kémiai Szakbizottságnak és a Tudománypolitikai Bizottságnak. Az Intézettudományi Szakbizottság elnöke volt 1989-től 1994-ig. A Mérnöki Szakbizottság tagja volt 1994-től 1998-ig, majd 1999-től 2002-ig elnöke volt.
Tétényi Pál a kémia számos területén végzett kutatásokat, többek között a szerves kémiában, a szervetlen kémiában, a fizikai kémiában és a radiokémiában. Jelentős eredményeket ért el a fémorganikus kémia, a katalízis, az adszorpció és a szolvatáció területén.
Több mint 400 tudományos közleményt és 10 könyvet publikált. Tudományos munkásságát számos díjjal és elismeréssel jutalmazták, így az Állami Díjjal (1970), a Széchenyi-díjjal (1994) és a Nemzetközi Adszorpciós Társaság tiszteletbeli tagságával. Tétényi Pál 2024. szeptember 8-án hunyt el.