1970'te Edwina ve Ernie Anderson (1923-1997) çiftinin çocuğu olarak Studio City, California'da doğdu. Çok küçük yaşlardan beri yönetmenliğe hevesi olan Anderson, babasının da desteğiyle kendi filmlerini çekmeye başladı. Çocukluk ve gençlik yılları, California'nın farklı bölgelerinde geçti. Henüz lisenin son sınıfındayken 30 dakikalık The Dirk Diggler Story adlı bir 'mockumentary' çekti. Santa Monica College ve Emerson College'da İngiliz Dili eğitimi aldı. Ancak sinemada şansını denemeye kararlı olan Anderson, filmlerde yapım asistanı olarak çalışmaya başladı. 1993'te çektiği kısa filmi Cigarettes & Coffee, Sundance Film Festivali'nde gösterildi ve yönetmene takdir getirdi.

1996'da ilk uzun metrajlı filmi Sydney'i (Hard Eight) yönetti. 1997'de 'The Dirk Diggler Story'nin uzun metrajlı versiyonu Boogie Nights'ı çekti ve bu filmle şöhret kazandı. Ünlü bir yetişkin filmleri oyuncusunun öyküsünü anlattığı filmin başrolünde Mark Wahlberg oynamıştı. 3 dalda Oscar'a aday olan film, aynı zamanda Anderson'a En İyi Orijinal Senaryo dalında Oscar adaylığı getirdi. 1999'da çektiği Magnolia ise aynı şehirde yaşayan bağımsız karakterlerin birbiriyle kesişen öykülerini başarıyla bir araya getiriyordu. Tom Cruise, Julianne Moore, Philip Seymour Hoffman gibi pek çok ünlü oyuncu filmde rol alırken, film 3 Oscar adaylığı elde etti. 2002'de Punch-Drunk Love filmini yazıp yönetti.

2007 yapımı Kan Dökülecek (There Will Be Blood) filmi, o yılın en beğenilen filmlerinden biri oldu. 8 dalda Oscar adayı olurken En İyi Erkek Oyuncu (Daniel Day-Lewis) ve En İyi Görüntü Yönetmeni (Robert Elswit) dallarında ödülü kazandı. Ardından 2012'de The Master ve 2014'te Inherent Vice filmlerine imza attı.

2017'de çektiği Phantom Thread, daha önce Kan Dökülecek filminde çalıştığı efsane İngiliz aktör Daniel Day-Lewis'in son filmi oldu. Filmde Londra'nın en takdir edilen terzisinin özel hayatına ve ilham perisi olan genç bir kadınla ilişkisine odaklanan film, 6 dalda Oscar adayı oldu ve En İyi Kostüm Tasarımı dalında Akademi Ödülü'nü kazandı.

2001'den beri aktris Maya Rudolph ile birliktedir. Bu birliktelikten Pearl Minnie (d. 2005), Lucille (d. 2009), Jack (d. 2011) ve Minnie Ida (d. 2013) adlı 4 çocuğu olmuştur.