Внук Акинфия Никитича Демидова (1678—1745), сын Григория Акинфича (1715—1761).
Жена с 1763 года — Анна Николаевна Сибирская (урождённая Глебова) (1725?—1766), детей не было.
Начальное образование получил в Ревеле у профессора Сигизмунди, изучил латинский и немецкий языки (1748—1751).
Продолжил образование в Германии в Гёттингенском университете (до мая 1755), изучал естественные науки и металлургию у Галлера, Геснера, Зегнера, Мейера и других известных профессоров. Далее во Фрайбергской академии изучал металлургию у Гофмана, минералогию и химию у Геллерта, практически изучал добычу руды и плавильное дело в течение года.
Из Фрайберга Демидов отправился в шестилетнее путешествие по Западной Европе, изучал на местах способы разработки серебряных, железных и медных рудников. В Швеции он познакомился с Линнеем, лекции которого слушал в Упсале. Там же он посещал лекции профессора Валерия по химии и минералогии.
В начале 1762 года, вскоре после смерти отца, он вернулся в Россию и передал значительную часть унаследованного имения в распоряжение своим братьям, а сам занялся наукой. Он продолжил изучение горнозаводского дела и посетил в 1763 году Тулу, Петербург, Шлиссельбург и Ладогу.
С 1762 по 1772 годы состоял на государственной службе. «За обширные познания в натуральной истории и минералогии» Екатерина II пожаловала его в советники берг-коллегии.
В 1772 году П.Г. Демидов был избран в члены «Вольного российского собрания» и в том же году отправился за границу для лечения, посетив при этом Германию, Францию и Голландию.
После возвращения в Россию в 1773 году он находился в переписке с Бюффоном, Галлертом, и особенно с Линнеем, которому он посылал описания некоторых интересовавших шведского учёного животных. Эти описания Линней разместил в своей системе зоологии с выражением благодарности Демидову.
Во время своих путешествий за границей и по России П. Г. Демидов собрал значительную естественнонаучную коллекцию, собрание монет и медалей, художественных редкостей и большую библиотеку.
Демидовский юридический лицей
Когда в 1802 году был издан манифест об учреждении министерств, заключавший в себе, между прочим, призыв к пожертвованиям на дело образования в России, П.Г. Демидов одним из первых откликнулся на него. В 1803 году на пожертвованные им средства (3578 душ крестьян, что из расчета 300 рублей на душу составляет 1 073 400 рублей, и 12 0000 рублей деньгами) основано Демидовское высших наук училище, просуществовавшее в разных формах до 1924 года и носившее его имя до 1919 года. В этом же году П.Г. Демидов передал естественнонаучную коллекцию с библиотекой и капиталом в 100 000 руб. Московскому университету. В 1805 году он пожертвовал для предполагаемых университетов в Киеве и Тобольске по 50 000 р.; тобольский капитал к 1881 году возрос до 190 тысяч рублей и пошёл на учреждение Томского университета, в актовом зале которого был поставлен портрет П. Г. Демидова. В 1806 году он пожертвовал Московскому университету свой минц-кабинет, состоявший из нескольких тысяч монет и медалей.
Последние годы жизни П.Г. Демидов провел в своём любимом селе Леонове на Яузе, где скончался 1 (13) июля 1821 года в возрасте 82 лет. Он похоронен в московском Спасо-Андрониевском монастыре.
6 (18) июня 1803 П.Г. Демидов был награждён орденом св. Владимира большого креста первой степени и вскоре, в 1805 году, произведён в чин действительного статского советника.
В 1803 году на общем собрании Правительствующего Сената Демидову была вручена золотая медаль, на одной стороне которой был изображён его портрет, а на другой написано «За благотворение наукам».
В Ярославле ему поставлен памятник (Демидовский столп), открытый в 6 (18) марта 1829 г., разрушенный после революции и воссозданный в 2005 году. Имя П.Г. Демидова с 1995 года носит Ярославский государственный университет, считающий себя преемником Демидовского высших наук училища.
Когда в 1802 году был издан манифест об учреждении министерств, заключавший в себе, между прочим, призыв к пожертвованиям на дело образования в России, Демидов одним из первых откликнулся на него. В 1803 году на пожертвованные им средства (3578 душ крестьян и 120000 р.) основано «Демидовское высших наук училище» (затем Демидовский юридический лицей). Анатолий Николаевич (1812—1870), первый из Демидовых князь Сан-Донато, был младшим сыном Николая Никитовича Демидова, умершего во Флоренции, где он был русским посланником. Большую часть своей жизни прожил в Европе, изредка лишь приезжая в Россию.
Его крупнейшие пожертвования:
основание «Демидовского дома призрения трудящихся» в СПб., на что им дано более 500000 руб.;
основание «Николаевской детской больницы», на которую он пожертвовал вместе с братом Павлом Николаевичем 200000 руб.
В 1805 г. он пожертвовал для предполагаемых университетов в Киеве и Тобольске по 50000 р.; тобольский капитал к 80-м годам возрос до 150 тысяч руб. и пошел на учреждение Томского университета, в актовой зале которого поставлен портрет Демидова. В 1830 году егермейстер царского двора Павел Николаевич Демидов получил разрешение государя на поездку на Урал. В Нижнем Тагиле готовили торжественную встречу. В жестокий декабрьский мороз встречали его с хоругвями, колокольным звоном всех церквей и пушечными выстрелами. На другой день новый хозяин отправился осматривать свои заводы.Он их раньше никогда не видел, ничего в производстве не смыслил и ходил по фабрикам и цехам со скучающим видом. Зато преобразился, когда его стали знакомить со зданиями Главного управления Нижнетагильских заводов, заводского госпиталя, с домом своих предков и семью православными церквями. Заинтересовал Павла Николаевича Входо-Иерусалимский собор. Многие иконы, расписанные крепостными художниками, вызвали восхищение. Он пожелал увидеть мастеров по камню и живописцев. Управляющий повел заводчика в специальную художественную мастерскую, которая вела начало с живописной школы 1806 года. Павел Николаевич решил, что крепостные художники не хуже иностранных, но дешевле, а в обработке камня и в художественном литье превзошли многих. Сразу хозяин приказал Любимову отправить более способных в столицу. Там он полагал использовать их мастерство не только для украшения собственного дома, но и государственных зданий. В частности, Исаакиевского собора, на отделку которого везли из Нижнего Тагила гранит, мрамор, малахит и яшму, золото и другие драгоценные металлы, камни. Павел Николаевич подарил Николаю I в 1836 году огромную малахитовую ротонду — восемь колонн, соединенных куполом, внутренняя поверхность которого отделана лазуритом. Мозаичный пол ротонды выложен уральскими самоцветами. Этот малахитовый храм сейчас украшает аванзал Зимнего дворца.Павел Григорьевич умер в возрасте 83 лет, не оставив потомства, в своем любимом селе Леонове (под Москвой), где провел большую часть жизни. В 1829 году в Ярославле Павлу Демидову поставлен памятник.Павел Николаевич, старший сын Николая Никитича, егермейстер (1798—1841). Он несколько лет служил губернатором в Курске и прослыл благотворителем края. Во время холеры 1831 г. построил в Курске четыре больницы; на его счет воздвигнут памятник поэту Богдановичу.Известен как учредитель так называемых «Демидовских наград», на которые жертвовал при жизни и назначил выдавать в течение 25-ти лет со времени его смерти по 20000 р. ассигнациями или 5714 руб. сер. ежегодно. Павел Николаевич женился поздно, за четыре года до кончины, на фрейлине императорского двора Авроре Карловне, шведке по национальности. Она, по воспоминаниям современников, была одной из красивейших женщин в Петербурге. Свадьба состоялась 9 ноября 1836 года. Недолгая супружеская жизнь молодоженов проходила в Петербурге, в балах и развлечениях. Но при этом П.Н. Демидов широко занимался благотворительностью.Павел Павлович (1839—1885), сын Павла Николаевича, окончил курс в юридическом факультете Спб. университета, служил в посольствах парижском и венском, был советником губернского правления в Каменец-Подольске, с 1871 по 1876 г. был киевским городским главой.
Во время русско-турецкой войны 1877—78 гг. был чрезвычайным уполномоченным спб. общества «Красного креста». На его средства издавалась одно время в газете «Россия». В 1883 г. он написал брошюру «Еврейский вопрос в России». Унаследовал от бездетного дяди, Анатолия Николаевича, титул князя Сан-Донато, утвержденный за ним государем в 1872 году. За заслуги перед короной Демидовы получили дворянство. Одна из ветвей рода, происходившего от Никиты Демидовича, в 1873 г. унаследовала в лице генерал-майора Николая Петровича Демидова имя и титул светлейших князей Лопухиных. Род Демидовых внесен в I, II, III части родословных книг Московской, Нижегородской и Санкт-Петербургской губернии (Гербовник, II, 135 и XIII, 66). Другой род Демидовых происходит от действительного статского советника Василия Ивановича Демидова (1741). Сын его, Иван Васильевич (умер в 1799 г.), был при Екатерине II генерал-поручиком и флота генерал-цейхместером (то есть начальником морской артиллерии). Этот род внесен в I часть родословных книг Казанской, Новгородской и Орловской губерний.