Советский авиаконструктор, доктор технических наук, один из основателей советской реактивной и сверхзвуковой авиации. Дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской, Сталинской и Государственной премий, лауреат премии № 1 им. А. Н. Туполева. Родился 22 июля 1895 года в с. Глубокое Дисненского уезда Виленской губернии (ныне г. Глубокое Витебской области, Беларусь) в семье учителя народной школы. Белорус. Закончил гомельскую гимназию (сейчас БелГУТ).

После окончания МВТУ работал в КБ А. Н. Туполева (АГОС), входившем тогда в структуру ЦАГИ, и на заводе № 156 (инженер-конструктор, начальник бригады, заместитель главного конструктора). В этот период Сухим под общим руководством Туполева созданы истребители И-4, И-14, рекордные самолёты АНТ-25 (боевой вариант ДБ-1) и АНТ-37бис «Родина» (боевой вариант ДБ-2). Принимал участие в конкурсной разработке самолёта «Иванов», закончившейся созданием боевого многоцелевого самолёта Су-2, применявшегося в первые годы Великой Отечественной войны.

В 1939−1940 главный конструктор на заводе в Харькове. В 1940—1949 — главный конструктор КБ, базировавшегося на ряде заводов в Подмосковье и Москве, одновременно директор этих заводов. В 1942—1943 под его руководством создан бронированный штурмовик Су-6. В 1949—1953 — снова заместитель главного конструктора в КБ Туполева. С 1953 — главный конструктор вновь воссозданного своего КБ, с 1956 генеральный конструктор.

В послевоенные годы был в ряду первых советских авиаконструкторов, возглавивших работы в области реактивной авиации, создав несколько опытных реактивных истребителей. После воссоздания КБ под его руководством разработан ряд серийных боевых машин, в числе которых истребитель Су-7 со скоростью полёта, вдвое превысившей скорость звука, истребители-перехватчики Су-9, Су-11, Су-15, истребители-бомбардировщики Су-7Б с лыжным и колёсно-лыжным шасси для базирования на грунтовых аэродромах и Су-17 с изменяемой в полёте стреловидностью крыла, фронтовой бомбардировщик Су-24, штурмовик Су-25, истребитель Су-27 и другие самолёты. Были также разработаны ряд не реализованных проектов, например Су-13.

Под руководством П. О. Сухого разработано более 50 конструкций самолётов. В 1958—1974 годах - депутат Верховного Совета СССР.

За выдающиеся работы в области авиационной науки и техники награждён золотой медалью имени академика А. Н. Туполева. В 1957 году присвоено звание Героя Социалистического Труда. В 1965 награждён второй золотой медалью «Серп и Молот». Кавалер трёх орденов Ленина, орденов Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, Красной Звезды и «Знак Почёта».

Жил и работал в Москве. Скончался 15 сентября 1975 года. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.