Nel 1925 gli Annigoni si trasferiscono a Firenze per motivi di lavoro del padre di Pietro, ingegnere: ottiene la maturità classica presso l'Istituto degli Scolopi e i genitori gli danno l'autorizzazione
di frequentare l'Accademia di belle arti con i professori Carena e Graziosi, perfezionando gli studi, poi, con lunghi viaggi, anche all'estero.
La sua prima mostra personale viene allestita nel 1932, presso palazzo Perroni. Fin dall'inizio si caratterizza per uno stile fedele alla realtà.
Nel 1947 con Gregorio Sciltian e i fratelli Xavier e Antonio Bueno, è tra i firmatari del manifesto dei pittori moderni della realtà. Servendosi con grande maestria dell'uso di antiche tecniche pittoriche (famose le sue tempere grasse) utilizzate nel Rinascimento, costruisce il suo percorso artistico in netto contrasto con gli stili pittorici propri del Modernismo e del Postmodernismo in voga negli anni della sua attività. Resta fedele al Realismo sino alla morte[2].
Nonostante sia ricordato come "Il pittore delle regine", ebbe grande predilezione nel ritrarre anche "persone meno agiate e famose", in cui era abile nel descriverne fedelmente tanto l'aspetto esteriore quanto l'interiore[4].
Dal 1966 al 1988, la sua attività si caratterizza per un susseguirsi di mostre prestigiose, fra cui molte alla Royal Academy di Londra, mentre in Italia si ricordano, per il notevole successo ottenuto, quelle di Milano (Galleria Cortina, 1968, e Galleria Levi, 1971). Fra un'esposizione e l'altra, non manca di dedicarsi ad una delle sue grandi passioni: l'arte dell'affresco[5].
nella cupola è affrescata la morte di Santa Scolastica, la morte di San Benedetto, la visione di San Benedetto;
nei pennacchi della cupola, vi ha raffigurato le allegorie dei voti monastici: la castità con in mano la lampada; la stabilità con l'ancora e la colonna; la povertà che si appoggia alla croce e lascia cadere il denaro; l'obbedienza (il cui bozzetto originale è nel museo) in atteggiamento d'ascolto;
in Piazza del Duomo a Firenze sulla facciata del palazzo della Misericordia, proprio di fronte al campanile di Giotto (La Carità - rappresentazione di un confratello che trasporta un infermo con la tradizionale zana);
nel Duomo di Mirandola realizzò nel 1983 una Crocefissione in una cappella della navata sinistra, a ricordo del padre Ricciardo nato a Mirandola nel 1870 e morto a Firenze nel 1944;[7]
nella chiesa di S.Martino a Castagno d'Andrea (frazione di San Godenzo), il grande Crocifisso, fra la Madonna e San Giovanni, del 1958 con l'aiuto dell'allievo Mario da Corgeno.[8]
A Frisa in provincia di Chieti, presso il Santuario della Madonna del Popolo sull'altare maggiore campeggia il suo ritratto della Vergine con bambino, da lui donato, fopo il furto nel 1981 della Icona sacra.
Una delle sue opere più importanti è il ciclo pittorico della chiesa parrocchiale di San Michele Arcangelo a Ponte Buggianese. Vi ha lavorato dal 1967 sino alla morte, con l'aiuto di vari allievi. Nel 2008 è stato aperto a villa Bardini a Firenze il "Museo Pietro Annigoni".