Fils d'un doubleur travaillant à Hollywood, Paul Thomas Anderson est un enfant turbulent d'une fratrie de sept : trois soeurs ainsi que cinq demi-frères et soeurs. Il est le seul d'entre eux à avoir poursuivi dans le show-business.
Il fréquente la Buckley school (dont il sera exclu pour s'être bagarré et ses mauvaises notes), la Campbell Hall (école épiscopale) dans la San Fernando Valley, la Cardinal Cushing à Boston (où il redouble sa seconde), le Montclair Clollege à Reseda (fin du secondaire) et l'Emerson University (pour 2 semestres à étudier l'anglais).
Il reçoit de son père sa première caméra à 12 ans. Il décide très tôt de devenir cinéaste et réalise de nombreux petits films amateurs. Parmi eux, à 18 ans, il réalise The Dirk Diggler story dont il reprendra l'histoire dans une partie d'un de ses films :
Boogie Nights (1997). Pour autant, il refuse le chemin prévu dans une école de cinéma (la pourtant reconnue New York University School) pour préférer apprendre directement sur le terrain : il quitte l'école de cinéma après deux jours et investit les fonds des cours pour aller à Los Angeles.
Il commence à la télévision comme assistant de production sur des téléfilms et des jeux télévisés (expérience qu'il utilisera pour
Magnolia). C'est à cette époque qu'il tourne Cigarettes & Coffee, court-métrage avec
Philip Baker Hall qui sera remarqué dans des festivals et en particulier à celui de Sundance 1993. Cette histoire de personnages qui se croisent dans un café préfigure le thème de la rencontre et le style choral qu'il affectionnera par la suite. Cigarettes & Coffee va lui permettre d'obtenir le financement pour mettre en route son premier vrai film Sydney. Ce premier film est présenté au festival de Cannes 1996.
Fort de ce succès et avec des moyens plus importants -- un budget de 15 millions de dollars -- il reprend le script de son premier court-métrage,
Boogie Nights. On commence alors à comparer son cinéma à celui de
Martin Scorsese et
Robert Altman. Si les critiques sont parfois sévères (on évoque la prétention et le plagiat), d'autres au contraire relèvent la naissance d'un futur grand cinéaste (Newsweek, New York Times ou Los Angeles Times).
Ce succès lui permet d'enchainer rapidement avec un film sur lequel il a un grand contrôle tant pour le casting, la durée du film que le montage. Un peu plus de deux ans après Boogie Nights, sort
Magnolia en décembre 1999 pour concourir aux Oscars avec la confiance de son distributeur. Le film n'est pas retenu dans les favoris, mais glane trois nominations (scénario, second rôle pour Tom Cruise et musique) non converties, mais aussi l'Ours d'Or au festival de Berlin 2000 et surtout la reconnaissance d'une partie de la profession et des critiques.
Afin de garder le meilleur contrôle possible de ses films, il crée rapidement sa maison de production qu'il nomme « Ghoulardi » en hommage au personnage de série B d'horreur que son père avait créé pour un feuilleton de la télévision de Cleveland.
En 2002, il change de registre une nouvelle fois, abandonnant le ton amer et le film choral pour la comédie romantique déjantée Punch-drunk love, avec
Adam Sandler et
Emily Watson. La critique en général salue l'originalité de son ton et les surprises de sa mise en scène qui sont couronnées par le prix de la mise en scène au festival de Cannes 2002. Mais le public ne suit pas totalement (24 millions EUR de recettes dont 17 millions EUR aux USA pour un budget de 25 millions EUR).
Il accroit son image d'éclectisme en décidant de se tourner, avec
There Will Be Blood, vers un western moderne sur le pétrole. Il y consacre cinq ans de sa vie, dont notamment deux furent nécessaires au financement car les studios doutaient du potentiel du film. Il fait également un grand travail de recherche sur le milieu du pétrole au début du siècle pour préparer le scénario et le tournage. Il obtient en définitive un vrai succès public, des critiques excellentes et convergentes ainsi que la reconnaissance de ses pairs (huit nominations aux Oscars - pour un Oscar du meilleur acteur - et une nomination par la Director Guild of America). Avec ce film, il obtient le statut d'auteur référent aux yeux des critiques. A titre d'illustration, James Christopher, critique cinéma en chef au Times, classe le film en deuxième position de sa liste des cent meilleurs films du monde (derrière Casablanca de
Michael Curtiz) et il arrive en tête en nombre de citation dans les listes des 10 meilleurs films de la décennie 2000.
En 2010, il a un projet de film racontant l'ascension d'un chef religieux charismatique dans les années 1950, s'inspirant de la création de l'église de Scientologie. Le projet a été refusé par Universal en raison de son budget, alors évalué à 35 MEUR ; il est repris par le studio River Road pour un tournage à l'été 2010 avec
Philip Seymour Hoffman dans le rôle-titre.
Paul Thomas Anderson et la chanteuse Fiona Apple ont eu une relation pendant plusieurs années ; elle apparait à ce titre dans le making-of du DVD de
Magnolia et signe la musique (générique de fin) de Sydney et plusieurs titres de
Magnolia.
Depuis, il vit à Los Angeles avec l'une des membres de l'équipe du Saturday Night Live Show,
Maya Rudolph avec qui il a une fille (née le 15 octobre 2005) ; un deuxième enfant est attendu en 2009. Il a co-écrit et mis en scène un spectacle comique joué par
Maya Rudolph (en duo avec
Fred Armisen) qui s'est joué les 5 et 6 août 2008 au Largo Theater de Los Angeles.