1899年8月13日, 生于江苏省宝山县罗店镇（今属上海市宝山区）一户世代乡绅之家。原名光亶，后署名光旦，又名保同，字仲昂。父亲潘鸿鼎，曾任清翰林院编修。
1905年，潘光旦入罗店镇私塾读书，一年后转到新式学堂学习。
1913年依父亲遗命入清华学校读书。
1916年，因跳高锻炼受伤感染，右腿截肢。
1922年，于清华毕业，
1922年9月20日入读美国东部的达特茅斯学院，插班进入三年级学习生物学。中间曾有一年半专攻优生学。
1924年，获学士学位。
1925年9月至1926年夏，在哥伦比亚大学学习生物学、古生物学和遗传学。
1926年夏在麻塞诸塞州林洞镇的海滨生物研究所学习单细胞生物学。
1926年，毕业，获理学硕士学位。
1926年归国后，开始在上海地区各大学工作。先后在上海吴淞国立政治大学、东吴大学、光华大学等校任教，讲授心理学、优生学、家庭问题、遗传学等课程。
1929年，新月书店出版其著作《中国之家庭问题》。
1934年，译著《性的教育》和《性的道德》在上海青年书局出版。是年开始在北平清华大学工作，任社会学系教授。
1937年抗日战争爆发后，随清华大学南迁长沙，在长沙临时大学授课。
1938年迁往昆明，在西南联合大学教学。在此期间，除讲授优生学、家庭问题等课程外，又逐步另外开设西洋社会思想史、中国儒家社会思想史等课程。
1939年底，开始着手翻译霭理士的《性心理学》，两年后完成。
1941年加入中国民主同盟，任民盟第一、二届中央常委。
1946年，因抗战胜利，清华迁回北平复校，复北上。抗日战争时期，笔耕不缀，1937-1946年，《人文史观》、《民族特性与民族卫生》、《优生与挑战》、《自由之路》先后出版。
1949年由观察社出版著作《优生原理》。
1949年10月任中央人民政府文化教育委员会委员。任第2至4届全国政协委员。
1952年，清华大学社会学研究被政府取消，转到中央民族学院任民族学教授。
1957年反右派斗争中被错划为右派分子，是人类学、民族学界五大右派(潘光旦、吴泽霖、黄现璠、吴文藻、费孝通)之一，因在土家族民族识别研究的成果而成为“破坏民族关系”的“罪名”。
潘光旦文革时被抄家、批斗，在医院，潘光旦因膀胱及前列腺发炎成为危重的病人，却无任何治疗。
1967年5月病重，不获医治。6月10日，死于学生费孝通怀中，费孝通哀叹“日夕旁伺，无力拯援，凄风惨雨，徒呼奈何”。
