Après des études d’électricité à l’Institut polytechnique de Petrograd et il y enseigna l’ingénierie électrique, il s’installa à Cambridge en 1921. il devint l’assistant d’Ernest Rutherford, directeur des recherches et il entama des recherches sur le magnétisme au laboratoire Cavendish. Il réalisa notamment des champs magnétiques de haute intensité, préparant ainsi une des conditions de la maîtrise des réactions nucléaires. Mais en 1934, retenu en URSS lors d’une conférence scientifique, il prit la direction de l’Institut des problèmes physiques de Moscou. Un des axes de recherche devait y être la fusion nucléaire contrôlée. Par ailleurs Kapitsa se distingua dans l’étude des basses températures, découvrant notamment la superfluidité de l’hélium liquide. En 1978, il partagea le prix Nobel de physique avec les radioastronomes américains A. A. Penzias et R. W. Wilson. Ayant mis en cause la compétence de Beria à diriger le programme d’armement atomique, Kapitsa connut l’exil intérieur. Staline disparu, il put retrouver sa place et il travailla sur les plasmas. En 1955, il fut nommé directeur du programme soviétique de satellite terrestre. Il fit également des recherches sur les effets des basses températures et des champs magnétiques élevés sur les métaux.

Il est mort le 8 avril 1984 à Moscou.