Nato a New York nel febbraio 1940, figlio del grande Henry Fonda (1905-1982; Sono innocente e Il vendicatore di Jess il bandito di Fritz Lang, Jess il bandito di Henry King, Furore, Sfida infernale, Il massacro di Fort Apache e Mister Roberts di John Ford, Alba fatale di William A. Wellman, Tempesta su Washington di Otto Preminger, Il ladro di Alfred Hitchcock, La parola ai giurati di Sidney Lumet, Il segno della legge di Anthony Mann, Ultima notte a Warlock di Edward Dmytryk, La conquista del West di H. Hathaway, J. Ford e George Marshall, C’era una volta il West di Sergio Leone, L’ora della furia di Vincent McEevety, Uomini e cobra di Joseph L. Mankiewicz, Il mio nome è nessuno di Tonino Valerii) fratello di Jane Fonda (classe 1937, La caccia di Arthur Penn, A piedi nudi nel parco di Gene Saks, Non si uccidono così anche i cavalli? e Il cavaliere elettrico di Sydney Pollack, Una squillo per l’ispettore Klute di Alan J. Pakula, Giulia di Fred Zinnemann, Tornando a casa di Hal Ashby, Sindrome cinese di James Bridges, Il mattino dopo di Sidney Lumet) e padre di Bridget Fonda (classe 1964; Il padrino-Parte III di Francis Ford Coppola, Inserzione pericolosa di Barbet Schroeder, Il piccolo Buddha di Bernardo Bertolucci,, Jackie Brown di Quentin Tarantino, Soldi sporchi di Sam Raimi), comincia a recitare a teatro alla fine degli anni Cinquanta. Dopo gli studi di recitazione, nel 1961/’62 ottiene grande successo a Braoadway.

Esordisce al cinema nel bellico I vincitori (1963) di Carl Foreman e Il sole in una stanza (1963) di Harry  Keller, in cui è un giovane medico.

L’anno seguente si fa notare per la sua convincente interpretazione di un alienato mentale in Lilith, la dea dell’amore (1964) di Robert Rossen, film d’esordio di Gene Hackman.

Nel ’66 recita in I selvaggi di Roger Corman, che anticipa l’atmosfera di Easy Rider (1969) di Dennis Hopper. Nuovamente diretto da R. Corman, interpreta Il serpente di fuoco (1967), pellicola retta dalla sua performance e dalle sequenze psichedeliche.

Insieme a sua sorella Jane, lo troviamo poi nel primo episodio di Tre passi nel delirio (1967) di Roger Vadim e, due anni dopo, è il Capitan America del già citato Easy Rider - Libertà e paura di D. Hopper, interpretato anche da D. Hopper medesimo e da un giovane Jack Nicholson. Il film, per il quale P. Fonda collabora anche alla sceneggiatura ottenendo una Nomination all’Oscar per il Miglior Soggetto originale, fonda il tema del viaggio (notoriamente, un tema ricorrente nella letteratura e nel cinema americani) con la mitologia alternativa di fine anni Sessanta. La protesta hippy e la ribellione ne fanno (anche al di là degli effettivi meriti artistici - si tratta di un film molto controverso) un vero e proprio “manifesto di libertà”.

All’inizio degli anni Settanta passa dietro alla macchina da presa dirigendo Il ritorno di Harry Collings (1971), in cui interpreta un inquieto cowboy, ed il fantascientifico Idaho Transfer (1973).

Qualche anno dopo dirige il western melodrammatico Wanda Nevada (1979), con una giovane Brooke Shields, che viene sconfitta a poker da un giocatore professionista (interpretato da P. Fonda medesimo).

Nei quindici/vent’anni successivi la sua carriera da attore si fa discontinua. Si segnalano il comico La corsa più pazza d’America (1981) di Hal Needham, Ore 13: dopo il massacro la caccia (1985) di Stephen Gyllenhaal, Love & una 45 (1994) di C. M. Talkington, in cui recita nel ruolo di un hippy sciroccato.

Nel’ 97 è protagonista de L’oro di Ulisse di Victor Nunez, con un’intensa performance sotto le righe (con cui ottiene una Nomination all’Oscar come Miglior Attore Protagonista) nel ruolo di un maturo apicultore minacciato dai criminali.

Nel 2000 recita nel western drammatico South of Heaven, West of Hell di D. Yokoam e, due anni dopo, nel dramma The Laramie Project (2002) di Moises Kaufman.

Nel 2004 è in Ingannevole è il cuore più di ogni altra cosa di Asia Argento, per poi interpretare Mefistofele in Ghost Rider (2007) di Mark Steven Johnson.

Nello stesso anno torna ad interpretare Capitan America in una piccola apparizione in Svalvolati on the Road (2007) di Walt Becker ed un vecchio bounty killer in Quel treno per Yuma (2007) di James Mangold, con Christian Bale e Russell Crowe, remake del film omonimo di Delmer Daves del 1957 con Van Heflin, Glenn Ford.

Fra gli altri film ricordiamo Fuga da Hollywood (1971) di Dennis Hopper, In corsa con il diavolo (1975) di Jack Starrett, Killer Comando (1976) di Val Guest, Futureworld – 2000 anni nel futuro (1976) di Richard T. Heffron, Fighting Mad (1976) di Jonathan Demme, Truck Drivers (1977) di Peter Carter, Hawken’s Breed (1987) di Charles B. Pierce, The Rose Garden (1989) di Fons Rademakers, Family Express (1990) di George Nicolas Hayek, Fuga da Los Angeles (1996) di John Carpenter, Non guardare indietro (1996) di Geoff Murphy, L’inglese (1998) e Ocean’s Twelve (2004) di Steven Soderbergh, Wooly Boys (2001) di Leszek Burzynski,Supernova (2005) di John Harrison,Japan (2008) di Fabien Pruvot, The Boondock Saints 2 - Il giorno di Ognissanti (2009) di Troy Duffy.

In epoche più recenti è apparso in Il mio amico Smitty (2012) di David M. Evans, Copperhead (2013) di Ronald F. Maxwell, La donna più odiata d’America (2017) di Tommy O’Haver, Un viaggio stupefacente (2018) di Shana Feste.