Poul Anderson est né en Pensylvanie de parents d'origine danoise. Sa jeunesse se passe dans le middle-West américain, ce qui provoquera, tout le long de sa carrière, de nombreuses références au monde paysan et rural. Il suit des études de physique à l'université du Minnesota et, pour payer ses études, publie son premier texte Tomorrow's children ([iem]Les enfants de demain[/em]) en mars 1947 dans le magazine Astounding. Il optient son diplôme une année plus tard. Dans les années suivantes, il s'installe à San Francisco où il continue à écrire des nouvelles soit seul, soit en collaboration (particulièrement avec Howard Waldrop, Gordon R. Dickson ou Karen Kruse qu'il épousera et avec qui il aura une fille, Astrid, mariée avec l'écrivain Greg Bear). Ce n'est qu'en 1952 que parait son premier roman, Vault of the ages, qui est un livre pour enfants. Son premier roman de science-fiction, Brain wave (Barrière mentale), ne sera publié que deux ans plus tard.

Durant sa carrière, il écrira plus d'une centaine de romans et anthologies (incluant des romans policiers et historiques ou même des recueils de poèmes). Dans le domaine de la science-fiction, il utilise souvant ses connaissances en physique et en chimie pour développer des thèmes scientifiques. Il s'inspire également souvant d'éléments de la mythologie scandinave. Il écrira plusieurs séries, dont la plus connue en français est celle des Gardiens du temps principalement dans un style de 'Space Opera'.

Il a remporté 7 prix Hugo et 3 prix Nebula (toujours pour des nouvelles) parmi de nombreux prix dont le Grand Master Award de la SFWA dont il sera président de 1972 à 1973.

Poul Anderson reste un auteur très peu traduit en français (seulement 23 romans sur environ 130). Ceci s'explique en partie par ses prises de positions politiques (il s'était pronnoncé en faveur de l'engagement américain pendant la guerre du Viêt Nam par exemple) qui l'ont exclu du monde de l'édition francophone pendant les années 70.