Окончил в 1918 году Политехнический институт в Петрограде.
В 1921—34 работал в Кембридже (Великобритания) у Э. Резерфорда, директор Мондовской лаборатории.
В 1934 приехал в Москву для чтения лекций и консультаций; не получил разрешения на обратный выезд в Великобританию.
В Москве организовал Институт физических проблем АН СССР; его директор в 1935—46 и с 1955 (институт носит имя Капицы); в 1946 отстранён от работы в институте, занимался исследованиями в оборудованной им лаборатории на собственной даче (посёлок Николина Гора Московской области).
Физик, академик (1939), член Президиума (с 1957) АН СССР, дважды Герой Социалистического Труда (1945, 1974).
