Piotr Slonimski fait ses études de médecine clandestinement à Varsovie durant la Seconde Guerre mondiale et obtient son doctorat de médecine de l'Université de Cracovie en 1946. Il vient l'année suivante en France et intègre immédiatement le CNRS dans le laboratoire de génétique physiologique de Boris Ephrussi. Il passe alors sa thèse de science en 1952. Il fonde le Centre de génétique moléculaire du CNRS à Gif-sur-Yvette en 1967, qui est toujours actuellement un des centres européens les plus importants dans le domaine.
Il devient, de 1966 à 1991, professeur de génétique à l'Université Pierre-et-Marie-Curie, et est élu membre de l'Académie des sciences le 10 juin 1985, l'année de l'obtention de sa médaille d'or du CNRS, l'une des plus importantes distinctions nationales françaises.
Il a été nommé membre du Collège de la prévention des risques technologiques en 1993, pour remplacer Philippe Kourilsky durant le reste de son mandat.