Родился в 1903 году в рабочей семье. С 1925 года — секретарь Владимирского волостного комитета ВЛКСМ. В 1926—1928 годах — заведующий столярной мастерской Владимирского горкомхоза. В 1937 году — окончил Ленинградский институт инженеров коммунального строительства. В 1937 году — заведующий научно-исследовательским сектором и секретарь парткома Ленинградского института инженеров коммунального хозяйства. В 1937—1938 годах — председатель Ленинского райсовета в Ленинграде. С 1938 года заместитель председателя, в 1939—1946 годах — председатель Ленгорсовета. С 1941 года — член Комиссии по вопросам обороны Ленинграда. С апреля 1942 года — член Военного совета Ленинградской армии ПВО. Один из организаторов и руководителей обороны Ленинграда в годы Великой Отечественной войны 1941—1945 годов. В этот период были реорганизованы все сферы жизни города в связи с началом Великой Отечественной войны и блокады. Городская промышленность переведена на оборонные нужды. Созданы стационары для больных дистрофией. Организована санитарная очистка города. Проложен Ладожский трубопровод для подачи электроэнергии с Волховской ГЭС. В 1946 году начаты работы по восстановлению и реконструкции города. Отменена карточная система распределения продуктов. Возобновлена деятельность Ленинградского коксогазового завода и организовано теплоснабжение города. Введены в строй крупные газгольдерные станции. В 1946—1949 годах — 1-й секретарь Ленинградского обкома и горкома ВКП (б). С 1946 года — депутат Верховного Совета СССР 2 созыва, член Президиума Верховного Совета СССР (1946—1949). На XVIII съезде партии избирался кандидатом в члены ЦК ВКП. 15 февраля 1949 года снят с поста с объявлением строгого выговора. В марте 1949 года командирован в аспирантуру Академии общественных наук при ЦК ВКП(б). 13 августа 1949 года был арестован как один из главных фигурантов «Ленинградского дела». 1 октября 1950 года расстрелян. 30 апреля 1954 года реабилитирован.

В 1983 году на доме № 29 по Кронверкской улице была установлена мемориальная доска: "В этом доме с 1939 по 1950 год жил Петр Сергеевич Попков, председатель Исполкома Ленинградского городского Совета депутатов трудящихся в годы Великой Отечественной войны".