Народився 26 червня 1970 року в Студіо-Сіті (район Лос-Анджелеса), штат Каліфорнія, США, в сім'ї актора Ерні Андерсона. У шкільні роки захоплювався кінематографом, навіть зняв аматорський короткометражний фільм. Два семестру Пол Томас Андерсон провчився в Емерсон-коледжі, поступив у кіношколу при Нью-йоркському університеті, щоправда, прозаймався в ній ще менше. Свою кар'єру в кіно він починав з роботи асистентом на студіях Нью-Йорка і Лос-Анджелеса, що випускали телефільми і телешоу, потім брав участь як помічник у постановці кількох незалежних фільмів.
У 1992 році Пол Томас Андерсон за своїм сценарієм і за допомогою взятої в борг камери зняв свій перший фільм — короткометражну картину «Сигарети і кава». Наступного року дебютний фільм був показаний на кінофестивалі «Санденс», а режисер отримав можливість поставити свою першу повнометражну стрічку. У 1996 році його перша повнометражна робота «Фатальна вісімка», знята за участю багатьох знаменитих акторів, демонструвалася на Каннському кінофестивалі і «Санденсі», а сам Андерсон був названий найбільш перспективним режисером 1997 року. Наступна його робота, «Ночі в стилі бугі», незважаючи на досить скандальну тему — в ній розповідалося про світ порноіндустрії кінця 1970-х років, — удостоїлася безлічі схвальних відгуків критиків, а також отримала кілька професійних премій та була висунута на «Золотий глобус» і «Оскар» у кількох номінаціях. У 1999 році на екрани вийшов його наступний фільм — «Магнолія», в якому знялося багато акторів із попередньої успішної картини.
Фільм Пола Андерсона «Нафта», що вийшов в 2007 році, отримав дві премії «Оскар»: за найкращого актора (Деніел Дей-Льюїс) та найкращу роботу оператора (Роберт Елсвіт, був нагороджений «Срібним ведмедем» за найкращу режисуру на міжнародному кінофестивалі в Берліні в 2008 році, а також належить до ТОП-3 списку найвеличніших у ХХІ столітті за рейтингом ВВС. Також до переліку зі 100 фільмів, належать ще дві картини режисера.
Одружений з американською актрисою і комедіанткою Майєю Рудольф.
