Петр Капица родился 8 июля 1894 года в Кронштадте в семье военного инженера. Окончил гимназию, затем реальное училище. С юношеских лет будущий ученый увлекался физикой и электротехникой, особое пристрастие проявлял к устройству часов. В 1912 году Капица поступил в Петербургский политехнический институт, но с началом Первой мировой войны, ушел на фронт.

После демобилизации Петр Капица вернулся в институт и стал работать в лаборатории А. Ф. Иоффе. Его первая научная работа, посвящённая получению тонких кварцевых нитей, вышла в 1916 году в «Журнале русского физико-химического общества».

После окончания института Капица стал преподавателем физико-механического факультета, затем сотрудником созданного в Петрограде физического института, который возглавил Иоффе.

В 1921 году молодого ученого командировали в Англию. Там он работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, руководимой Э. Резерфордом. Российский физик быстро сделал блестящую карьеру — стал директором лаборатории Монда при Королевском научном обществе. Его работы 20-х годов XX века были посвящены ядерной физике, физике и технике сверхсильных магнитных полей, физике и технике низких температур, электронике больших мощностей, физике высокотемпературной плазмы.

В 1934 году Капица приехал в СССР. Советское правительство не разрешило ему вернуться в Англию, и некоторое время он жил вместе с матерью в Ленинграде. Вскоре был организован переезд в страну и семьи ученого. Капица с женой и детьми поселились в Москве, в отдельном доме. В Москве ученым был основан Институт физических проблем АН СССР, пост директора которого он занял в 1935 г. Одновременно Капица стал профессором МГУ (1936–1947). В 1939 году учёного избрали академиком АН СССР, а с 1957 года — членом президиума АН СССР.

Наряду с организацией научного процесса Капица постоянно занимался исследовательской работой. Вместе с Н.Н. Семёновым он предложил метод определения магнитного момента атома.

Капица первым в истории науки поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле и наблюдал искривление траектории движения альфа-частиц. Он установил закон линейного возрастания электрического сопротивления ряда металлов в зависимости от напряжённости магнитного поля (закон Капицы). Им созданы новые методы сжижения водорода и гелия; разработан способ сжижения воздуха с помощью турбодетандера.

В 1978 году Петру Леонидовичу была вручена Нобелевская премия по физике «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур».

Академик Петр Капица скончался 8 апреля 1984 года. Он похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.