Используя плагин xdist, это может быть легко сделано :
py.test -d --tx popen//python=pythonX
работает на Python версии X (2 или 3).
Так как это первый результат Google "pytest test multiple versions"
Я публикую это, тем не менее, я понимаю, что это не ответ на вопрос OP о том, как сделать это без плагинов.