Родился 4 марта 1893 года в крестьянской семье. С 1914 служил в Российской армии. В 1915 году окончил Московскую школу прапорщиков. Воевал в Первую мировую войну. В Красной Армии с 1918 года. В Гражданскую войну участвовал в боях против Колчака, Деникина, белополяков, повстанческих войск Махно, командовал полком, бригадой. Был ранен и контужен. Награжден двумя орденами Красного Знамени за бои на Польском фронте. В 1926 году окончил Военную академию им. Фрунзе, затем стал преподавателем тактики. Был председателем Ленинградского "Осоавиахима". В марте 1934 года назначен военкомом Ленинградской пехотной школы им. Склянского. В 1938 году ему присвоено воинское звание комбрига. С 1938 года по 15 декабря 1939 года начальник штаба 1-го стрелкового корпуса. В советско-финской войне 1939 — 1940 начальник штаба 1-го стрелкового корпуса, после поражения 139-й стрелковой дивизии понижен в должности и командовал 139-й стрелковой дивизией. Генерал-майор (1940). В июле 1940 года был назначен на должность начальника штаба Ленинградского военного округа. С марта по август 1941 г. командовал 12-й армией Киевского Особого военного округа.
Участвовал в боях с первых дней войны, руководя действиями 12-й армии. В течение июня и июля 1941 года 12-я армия, отступала на юго-восток. Попал в окружение возле села Подвысокое в ходе битвы под Уманью. 7 августа при попытке выхода из окружения генерал-майор П. Г. Понеделин вместе с командиром корпуса генерал-майором Н. К. Кирилловым попал в плен. Немцы использовали факт пленения в пропагандистских целях. Генералов П. Г. Понеделина и Н. К. Кириллова сфотографировали рядом с немецкими офицерами и листовки с этими фотографиями разбрасывали в расположении наших частей.
16 августа 1941 года вышел приказ Ставки Верховного Главнокомандования Красной Армии № 270, в котором командующий 28-й армией генерал-лейтенант В. Я. Качалов, командующий 12-й армией генерал-майор Понеделин и командир 13-го стрелкового корпуса генерал-майор Н. К. Кириллов названы трусами, дезертирующими к врагу и сдающимися ему в плен. Заочным приговором Военной коллегии Верховного Суда в 1941 году приговорён к расстрелу. С августа 1941 года по 29 апреля 1945 года находился в немецком плену. Его жена Нина Михайловна и его отец Григорий Васильевич были арестованы как «члены семьи изменника Родины»
29 апреля 1945 года был освобождён американскими войсками. 3 мая 1945 года передан советским представителям. Арестован 30 декабря 1945-го и заключён в Лефортовскую тюрьму. Обвинялся в том, что «являясь командующим 12-й армией и попав в окружение войск противника, не проявил необходимой настойчивости и воли к победе, поддался панике и 7 августа 1941 года, нарушив военную присягу, изменил Родине, без сопротивления сдался в плен немцам и на допросах сообщил им сведения о составе 12-й и 6-й армий». В начале 1950 года написал письмо Сталину с просьбой пересмотреть дело. 25 августа 1950 года Военной коллегией Верховного Суда приговорён к расстрелу с исполнением приговора немедленно. Виновным в сотрудничестве с немцами себя не признал. Реабилитирован посмертно после отмены приговора 13 марта 1956 года. Прах расстрелянного генерала Понеделина покоится в Общей могиле № 2 на новом Донском кладбище в Москве.