Paul Thomas Anderson przyszedł na świat w 1970 r. w kalifornijskim Studio City. Jego ojciec, Ernie Anderson był znanym w Cleveland gospodarzem nocnych pokazów kina grozy. Rodzina Andersonów jako pierwsza w okolicy została posiadaczem magnetowidu, co umożliwiło przyszłemu reżyserowi dostęp do nieskończonej ilości filmów już od najmłodszych lat. Po raz pierwszy stanął za kamerą w wieku 18 lat, kiedy to nakręcił amatorski "The Dirk Diggler Story" - udawany dokument opowiadający o niegdyś słynnej gwieździe porno.  

Po tym, jak po drugim dniu zrezygnował z uczęszczania na zajęcia filmowe w Nowojorskim Uniwersytecie, zrealizował swój kolejny krótki metraż o tytule "Cigarettes & Coffee". Pracował także jako asystent przy produkcji licznych reklam i teledysków, zanim miał szansę zrobić swój pierwszy film fabularny. Osadzony w świecie hazardu "Sydney" nie zarobił w kinach zbyt wiele, ale zyskał przychylność ze strony krytyków, co wystarczyło na sfinansowanie następnego reżyserskiego projektu. 

„Boogie Nights” (1997) odniosło z kolei prawdziwy sukces finansowy. Film będący swego rodzaju rozszerzeniem konceptu "The Dirk Diggler Story" był także radosnym spojrzeniem na lata 70. i szczytowy okres kina pornograficznego. Komediodramat przyniósł 3 nominacje do Oscara, w tym za scenariusz dla samego Andersona. Kolejny film "Magnolia", za którego reżyser odebrał Złotego Niedźwiedzia w Berlinie był mozaikową historią przedstawiającą losy kilku ludzi w przeciągu jednego dnia, z kolei nagrodzony za reżyserię w Cannes "Lewy sercowy" był nietypową komedią romantyczną, opowiadającą o miłości biznesmena cierpiącego na problemy emocjonalne.

Największy rozgłos przypadł jednak na rok 2007 i premierę "Aż poleje się krew". Rozgrywający się na początku XX w. dramat opowiadał historię człowieka, który nie cofa się przed niczym w osiągnięciu własnego celu, jakim jest utworzenie naftowego imperium. Obraz został z miejsca okrzyknięty arcydziełem kina i porównywany do największych osiągnięć D.W. Griffitha i Johna Forda. Dzieło zostało także docenione na Festiwalu w Berlinie, gdzie przyznano mu Srebrnego Niedźwiedzia za reżyserię, a także przez Akademię Filmową, która nominowała film do 8 Oscarów, z czego dwie przemieniły się w statuetki - za zdjęcia i główną rolę męską Daniela Day-Lewisa. 

Jego kolejne filmy - nawiązujący do narodzin sekty scjentologicznej "Mistrz" oraz ekranizacja prozy Thomasa Pynchona, "Wada ukryta" także spotkały się z uznaniem. Natomiast osadzony w brytyjskim świecie krawieckim lat 50. "Nić widmo" przyniósł kolejne 6 nominacji do Oscara, z czego wygrał jednego - za kostiumy.

Prywatnie związany jest z aktorką Mayą Rudolph, z którą ma czworo dzieci.