Phyllis Dorothy James, beter bekend als P.D. James, werd geboren in Oxford, Oxfordshire. Zij was de dochter van Sidney Victor James, belastinginspecteur, en Dorothy Mary James. Ze volgde onderwijs aan de British School in Ludlow en de Cambridge High School for Girls. Toen haar moeder werd opgenomen in een psychiatrisch ziekenhuis, verliet James op zestienjarige leeftijd de school om te werken en te zorgen voor haar jongere broer Edward en zus Monica.
Na drie jaar op een belastingkantoor in Ely gewerkt te hebben, vond ze een baan als assistent-stagemanager bij het Festival Theatre in Cambridge. Op 8 augustus 1941 trouwde zij met Ernest Connor Bantry White, een legerarts. Het echtpaar kreeg twee dochters, Clare en Jane. White keerde geestelijk ziek terug uit de Tweede Wereldoorlog en werd later opgenomen; hun dochters werden grotendeels door zijn ouders verzorgd.
James volgde een opleiding ziekenhuisadministratie en werkte van 1949 tot 1968 voor een ziekenhuisbestuur in Londen. In de jaren vijftig begon zij te schrijven, onder haar meisjesnaam. Haar eerste roman, Cover Her Face (1962), introduceerde inspecteur en dichter Adam Dalgliesh van Scotland Yard. Twee jaar later, in 1964, overleed haar echtgenoot. James werkte daarna als ambtenaar bij het ministerie van Binnenlandse Zaken, onder meer op de strafrechtelijke afdeling, tot haar pensionering in 1979.
Naast haar Dalgliesh-reeks schreef zij ook de dystopische roman The Children of Men (1992), die in 2006 werd verfilmd door Alfonso Cuarón met Clive Owen, Julianne Moore en Michael Caine in de hoofdrollen. Hoewel de film sterk afweek van het boek, was James naar verluidt tevreden met de verfilming. Haar latere romans spelen vaak in besloten gemeenschappen, zoals een uitgeverij, een advocatenkantoor, een theologische hogeschool, een eiland of een privékliniek.
In 2009 verscheen haar essay Talking About Detective Fiction. Daarnaast schreef ze talrijke essays en korte verhalen voor tijdschriften en bloemlezingen. In 2011 maakte zij bekend dat The Private Patient haar laatste Dalgliesh-roman was. In 2008 werd zij opgenomen in de International Crime Writing Hall of Fame tijdens de ITV3 Crime Thriller Awards.
P.D. James overleed in haar huis in Oxford. Ze liet twee dochters, vijf kleinkinderen en acht achterkleinkinderen na.