Пол Томас Андерсон родился 26 июня 1970 в Студио-Сити (штат Калифорния, США), в семье актера Эрни Андерсона. Еще в школе он увлекся кино, даже снял любительскую короткометражку. Два семестра Пол Томас Андерсон проучился в Эмерсон-колледже, поступилв киношколу при Нью-Йоркском университете, правда, прозанимался в ней и того меньше. Свою карьеру в кино он начинал с работы ассистентом на студиях Нью-Йорка и Лос-Анджелеса, выпускавших теле- и видеофильмы, игровые шоу, затем участвовал в том же качествев постановке нескольких независимых лент.

В 1992 году Пол Томас Андерсон по своему сценарию, взятой взаймы камерой снял свой первый фильм - короткометражную картину "Сигареты и кофе". На следующий год дебютный фильм был показан на фестивале в Санденсе, а режиссер получило возможность поставить полнометражную ленту. В 1996 году картина "Hard Eight", с участием Филипа Бейкера Холла, Джона Райлли, Гвинет Пэлтроу, Филипа Сеймура Хоффмана и Сэмюэла Л.Джексона, демонстрировалась на кинофестивале в Санденсе и в Каннах, а сам Андерсон был назван самым обещающим режиссером 1997 года. И он оправдал ожидания - следующая его работа, "Ночи в стиле буги", несмотря на довольно скандальную тему - в ней рассказывалось о мире порноиндустрии конца 1970-х годов, -удостоилась множества хвалебных откликов критиков, а также получила несколько профессиональных премий и была выдвинута на премии "Золотой глобус" и "Оскар" в нескольких номинациях. Роли в этой картине исполняли Марк Уолберг, Берт Рейнольдс, Джулианна Мур, Хэзер Грэм, а также вновь Филип Бейкер Холла, Джон Райлли и Филип Сеймур Хоффман.

В 1999 году на экраны вышел фильм Пола Томаса Андерсона - "Магнолия", в котором в главной роли снялся Том Круз - вместе с актерами из предыдущей картины режиссера. За эту работу Круз был отмечен "Золотым глобусом". На Берлинском фестивале 2000 года создатель "Магнолии" получил главный приз "Золотой медведь", а также удостоился премии за сценарий.

Фильм Пола Андерсона "Нефть" (There Will Be Blood .2007) получил три номинации на «Оскар» 2008 г.: за лучший фильм, лучшую режиссуру и лучший адаптированный сценарий и уже награждён «Серебряным медведем» за лучшую режиссуру на Международном кинофестивале в Берлине в 2008 г.

В декабре 2009 года режиссёр сообщил, что работает над новым сценарием под рабочим названием «The Master» о харизматическом интеллектуале, основавшем новую религию в 1950-х годах.

Пол Томас Андерсон известен также как клипмейкер. Самое большое количество видеоклипов он снял для своей бывшей возлюбленной, певицы Фионы Эйпл (Fiona Apple).

Кинокомпания, основанная режиссёром, названа в честь ночного телешоу его отца Ghoulardi.