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Il débuta sa carrière très jeune en tant qu'acteur enfant et modèle. 1968/1969 avec son ami et complice Ronnie Caryl il forme un groupe appelé Hickory, qui deviendra par la suite Flaming Youth. Le groupe signera chez Fontana Records l'album Ark II en 1969, qui sera classé « Album du mois » par le célèbre magazine musical anglais Melody Maker. En 1971, lorsqu'il rejoint le groupe Genesis, il est déjà connu en tant que batteur. Il a un frère, Clive, qui est illustrateur et une soeur, Carol, qui est patineuse professionnelle.
En 1975, lorsque le chanteur principal Peter Gabriel quitta le groupe, Genesis auditionna un grand nombre de chanteurs pour le remplacer, mais aucun d'eux ne donna satisfaction et les membres du groupe demandèrent à Collins de passer au chant. Genesis connut ses plus grands succès durant cette période et, en 1986, le titre « Invisible Touch » culmina en tête des ventes. En 1996, Collins a annoncé qu'il quittait Genesis.
Durant les années 1970, Phil Collins jouait également de la batterie dans le groupe de jazz fusion Brand X. Au cours des années 1980, il a aussi joué avec Robert Plant et le groupe Tears for Fears, et collaboré avec des musiciens très connus comme George Harrison, Paul McCartney, Philip Bailey, Eric Clapton, Mike Oldfield, Mark Knopfler ou encore Peter Gabriel (III) et quelques autres.
En 1981, tout en poursuivant sa carrière avec Genesis, Collins a débuté une carrière solo avec l'album Face Value, numéro 1 dans les charts britanniques dès la première semaine de sa parution (Face Value restera 6 ans dans le Top 75). Avec le titre « In The Air Tonight », il invente un nouveau son en incorporant à de la batterie traditionnelle de la batterie pré-enregistrée (« Drum Machine »). Cette technique a été maintes fois copiée depuis par d'autres compositeurs. En 1985, il fut l'une des figures marquantes du concert Live Aid durant lequel il traversa l'Atlantique en Concorde afin de participer aux deux concerts du programme (Royaume-Uni et États-Unis). Il continua parallèlement sa carrière d'acteur en jouant dans le film Buster (1988) dans lequel il jouait le rôle de Buster Edwards dans l'attaque célèbre d'un train en 1963. Par ailleurs, Collins assurera la batterie et le chant aux côtés d'Eric Clapton dans le disque de ce dernier, Journeyman (et plus particulièrement dans « Bad Love », le second morceau de l'album, composé par Clapton avec la collaboration de Mick Jones, guitariste du groupe Foreigner), l'année suivante.
Ses ventes records ont diminué considérablement à partir de la sortie de Both Sides en 1993. Les sorties suivantes n'atteindront jamais plus les niveaux de vente atteints par ses albums des années 1980. Les ventes totales mondiales des albums de Phil Collins, y compris ceux sortis par Genesis, atteignent approximativement les deux cents millions.
En 1999, Collins collabore avec Mark Mancina et le célèbre Nicolas Faramia sur la bande originale de Tarzan. Phil Collins chante en cinq langues certains titres de cette bande originale, il reçoit un Oscar pour la chanson « You'll Be In My Heart ».
En 2001, un album hommage à Phil Collins est sorti. C'est un album de reprises faites par des artistes R'n'B et Hip-Hop. L'album s'intitule Urban Renewal.
En 2003, Disney a de nouveau engagé Phil Collins pour composer la bande originale d'un autre film d'animation, Frère des ours.
Phil Collins ne lit ni n'écrit la musique de façon conventionnelle, mais utilise son propre système de notation. Il a reconnu ces dernières années perdre partiellement l'ouïe d'une oreille et a annoncé, en 2003, qu'il effectuerait une tournée d'adieux.
En 2006, il double la voix de son propre personnage dans le jeu vidéo Grand Theft Auto : Vice City Stories. En 2007, il part en tournée européenne, puis nord-américaine, pour la reformation de Genesis.
De ses trois mariages, il a eu cinq enfants dont son fils aîné, Simon Collins, qui est aussi musicien et qui a publié trois albums et également repris une chanson de Genesis (« Keep It Dark »). Il a aussi une fille, Joely, qui est une actrice renommée au Canada, Lily, qui est modèle, Nicolas et Matthew, ses fils cadets.
Le 19 octobre 2009, il annonce, dans un quotidien allemand, avoir perdu toute sensibilité au niveau des doigts à la suite d'une opération de luxation des vertèbres. Cependant, il annonce la sortie de son dernier album studio, intitulé Going Back, prévu pour le 13 septembre 2010, mais stoppe sa carrière sur scène.
Il vit à Féchy, dans le canton de Vaud, en Suisse.
En mars 2010 il annonce qu'il arrête la batterie car il a de plus en plus de problèmes de dos, dus selon lui à sa façon de s'être tenu lorsqu'il jouait, depuis l'âge de 9 ans. Le dimanche 6 mars 2011, il annonce qu'il met un terme définitif à sa carrière. Ses problèmes de santé seraient en cause, ainsi qu'une lassitude de l'industrie du disque. Par la suite, Phil Collins a publié un démenti officiel sur son site concernant les raisons invoquées dans l'arrêt de sa carrière, et déclare vouloir s'arrêter pour se consacrer à plein temps à ses enfants.