Из семьи рабочих. Окончил начальное училище (1913). Поступил в Новочеркасское земельно-аграрное училище (1915), где заинтересовался функциями мозга. Принимал участие в Гражданской войне. Окончил Ленинградский институт медицинских знаний (1926). С 1921 работал в Институте мозга под руководством В. М. Бехтерева, в Военно-медицинской академии в лаборатории И. П. Павлова (1922—1930). Старший ассистент, доцент кафедры физиологии Ленинградского зоотехнического института (1926—1930), профессор кафедры физиологии Горьковского медицинского института (1930—1934), заведующий отделом Всесоюзного института экспериментальной медицины в Москве (1934—1944); организатор отдела физиологии (1935).
С 1938 по приглашению Н. Н. Бурденко одновременно руководил психоневрологическим сектором Центрального нейрохирургического института. Заведующий отделом физиологии нервной системы Института физиологии АМН СССР (1944—1950), с 1946 заместитель директора по научной работе, с 1949 директор.
По обвинению в ревизии идейных основ был освобожден от всех постов (1950). Заведующий кафедрой физиологии Рязанского медицинского института (1950—1952), заведующий лабораторией физиологии и патологии Института хирургии имени А. В. Вишневского АМН СССР (1951—1958). С 1955 возглавлял кафедру нормальной физиологии 1-го Московского медицинского института им. И. М. Сеченова. Принимал деятельное участие в создании Института психологии АН СССР, где в 1972 создал лабораторию нейрофизиологии обучения.
Действительный член АМН СССР (1945), действительный член АН СССР (1966), председатель Московского физиологического общества (1970—1974). Основатель и главный редактор журнала «Успехи физиологических наук», член редколлегий ряда отечественных и зарубежных журналов, редактор раздела «Физиология» второго издания Большой медицинской энциклопедии и член редакционной коллегии ее третьего издания.
Основные работы посвящены изучению деятельности организма и особенно головного мозга на основе разработанной им теории функциональной системы.
Основные труды П. К. Анохина и литературу о нем см. в Научной педагогической электронной библиотеке.