Aunque la mayoría de las polillas de la procesionaria del pino sólo viven un año, algunas en altitudes elevadas o en zonas más septentrionales pueden sobrevivir más de dos años. Las polillas adultas ponen sus huevos cerca de las copas de los pinos. Tras la eclosión, la larva se alimenta de agujas de pino mientras avanza por cinco etapas de desarrollo. Para mantener unas condiciones de vida beneficiosas, construyen nidos de seda durante el invierno. Hacia principios de abril, las orugas abandonan los nidos en la procesión por la que se conoce a la especie. Cavan bajo tierra y emergen al final del verano. Los años en los que la primavera es cálida producen un gran número de adultos.
Los huevos se ponen en cuerpos cilíndricos de entre 4 y 5 cm de longitud. Los huevos están cubiertos de escamas que proceden de la hembra y que imitan los brotes de los pinos.
La larva es una importante plaga forestal, que vive en comunidad en grandes «tiendas», normalmente en pinos pero ocasionalmente en cedros o alerces, marchando por la noche en fila india (de ahí el nombre común) para alimentarse de las acículas. A menudo hay varias tiendas de este tipo en un solo árbol. Cuando están listas para pupar, las larvas marchan en su forma habitual hacia el suelo, donde se dispersan para pupar individualmente en la superficie o justo debajo de ella.
Fabre realizó un famoso estudio sobre la oruga procesionaria del pino en el que un grupo de ellas se seguía cabeza a cola en un círculo alrededor del borde de una maceta; continuaron marchando en el círculo durante una semana. Describió el experimento en su libro de 1916 «La vida de la oruga». El estudio ha sido citado innumerables veces por oradores inspiradores y religiosos que lo consideran una metáfora de seguir ciegamente a un líder o de confundir la actividad con el logro. Fabre consideraba que sus orugas eran autómatas descerebrados, atrapados porque estaban preprogramados para seguir ciegamente sendas, en este caso la interminable que habían trazado alrededor del borde circular de la olla. Sin embargo, estudios más recientes indican que las orugas estaban realmente atrapadas físicamente en el estrecho borde de la olla, ya que sus pies no podían adquirir la seguridad necesaria para descender por sus empinadas paredes verticales. En un experimento, grupos de orugas de procesionaria de la misma edad que las observadas por Fabre se colocaron sobre una mesa plana y se rodearon de un anillo circular de vidrio de 8 pulgadas de diámetro y 1 pulgada de altura. Las orugas pronto se trasladaron al borde de la arena, donde comenzaron a dar vueltas, una detrás de otra. Se les permitió procesionar de esta manera hasta que tuvieron un rastro bien establecido a lo largo del borde del anillo. Entonces se retiró el anillo, liberando a las orugas de cualquier restricción a su actividad que no fuera su rastro. Las procesiones circulares persistieron durante una media de sólo dos minutos antes de que las orugas se marcharan en línea recta. Sin embargo, cuando las orugas más jóvenes establecieron sendas circulares de forma similar, continuaron dando vueltas hasta 12 horas después de que se eliminara la restricción física, un tiempo considerable pero muy inferior a los siete días observados por Fabre.
La fase de pupa de la polilla se produce en un capullo de seda blanco bajo el suelo. Las pupas miden alrededor de 20 mm y son de un color amarillo pardo pálido que cambia a un marrón rojizo oscuro.
Como adulto, T. pityocampa tiene las alas anteriores predominantemente de color marrón claro con marcas marrones. Las alas traseras de la polilla son blancas. Las hembras tienen una envergadura de 36 a 49 mm (1,4 a 1,9 pulgadas), en comparación con los 31 a 39 mm (1,2 a 1,5 pulgadas) de los machos. Los adultos sólo viven un día, cuando se aparean y ponen huevos. La distancia que pueden alcanzar depende de la distancia que la hembra sea capaz de volar durante su corta vida de adulta. Su distancia media de vuelo es de 1,7 km (1,1 mi), con un máximo registrado de 10,5 km (6,5 mi). La especie vuela de mayo a julio.