Русский прозаик. Родился 12 (24) июля 1884 года в селе Петровское (Одоевский уезд, Тульская губерния). Из обедневших потомственных дворян. Поступил в Московский университет, но вместо учёбы работал в родной деревне и занялся самообразованием и писательством; ранние публикации (рассказы и очерки) в «Русской мысли» и «Русских ведомостях» (1911—1917) вызвали сочувственную (с рядом замечаний) реакцию Горького и Короленко; в 1918 печатал в газете «Новая жизнь» критичные к большевизму очерки о деревне. Во время Первой мировой войны служил в Петрограде (призыву не подлежал по здоровью), с 1920 в Москве.
Известность получил в начале 1920-х годов как писатель и исполнитель собственных произведений; имел незаурядный талант чтеца-актёра и с большим успехом выступал перед публикой. Тогда же начало создаваться его главное произведение, отрывки из которого Романов неизменно включал в свои устные выступления — роман «Русь» (6 частей, 1923—1936; не окончен) — эпопея об усадебной жизни в России накануне и во время первой мировой войны, с картинами из жизни господ и мужиков. «Русь» вызвала противоречивые отзывы критики, большинство рецензентов отмечали фрагментарность сюжета и мастерски выписанные отдельные характеры и диалоги. С большим успехом работал как педагог в детской колонии имени Луначарского. Написал повесть «Детство» (1924) о дворянской жизни в усадьбе глазами ребёнка; её высоко оценил Г. В. Адамович.
В середине 1920-х сблизился с литературным обществом «Никитинские субботники», писал популярные пьесы («Землетрясение», «Женщина новой земли»), вызвавшие политический выпад Маяковского (1929) в стихотворении с характерным названием «Лицо классового врага»; этот «враг» якобы «мечтает узреть Романова» и «даёт социальный заказ на „Дни Турбиных“ Булгаковым».
Написал большое число коротких рассказов, долгое время не поднимавшихся выше окрашенных лёгкой иронией зарисовок с натуры советского быта; однако во второй половине 1920-х выступает с рядом социально и политически острых рассказов: «Без черёмухи» (1926), «Суд над пионером», «Право на жизнь, или проблема беспартийности» (1927). Рассказ «Без черёмухи», изображающий лишённый романтики «любовный быт» комсомольцев, пошлые представления «новых людей» о нравственности — сделал автора всероссийской знаменитостью, его название стало поговоркой, был переведён на несколько языков. В том же ключе и сатирические романы Пантелеймона Романова «Новая скрижаль» (1928), «Товарищ Кисляков» (1930), «Собственность» (1933), изображающие мещанство советского быта, приспособленчество интеллигентов и писателей. Весь этот период Романова преследует систематическая травля советской критики, видящей в его сочинениях сплошную «клевету» и «очернительство», однако он принципиально не желал сдаваться. Свою позицию сатирика Романов обосновывал в речи на Первом съезде советских писателей (1934).
В 1937 г. Пантелеймон Романов перенёс инфаркт, умер от лейкемии в Кремлёвской больнице, похоронен на Новодевичьем кладбище. Сочетание даты его смерти — 1938 — с фактом его травли в 1920—1930-е годы стало причиной ошибочных утверждений в ряде изданий 1980-х гг. о том, что он якобы был репрессирован.