Родился в городе Тула. Русский. Закончил 4 класса городского училища в 1917 году.
В Красной армии с 1919 года. Участвовал в гражданской войне на Южном фронте, затем в составе 6-го танко-автоброневого отряда участвовал в подавлении казачьего восстания в районе Уральска и ликвидации банд на Южном Урале. Член компартии с 1920 года.
После гражданской войны окончил пехотные командные курсы в 1920 году, автоброневую школу в 1926 году, Военную академию механизации и моторизации РККА в 1938 году и курсы усовершенствования высшего начсостава при Военной академии Генерального штаба в 1941 году. Служил командиром взвода, командиром автобронедивизиона, начальником штаба учебного танкового полка. Служил в управлении бронетанковых войск Украинского военного округа. С 1938 года — начальник автобронетанковых войск Забайкальского военного округа, воевал на Халхин-Голе. С июня 1940 года — заместитель командующего 17-й армией в Забайкальском военном округе. С января 1941 года — начальник автобронетанкового управления Ленинградского военного округа, с марта того же года — Прибалтийского военного округа.
В Великой Отечественной войне с июня 1941 года. Был начальником автобронетанкового управления Северо-Западного фронта. С марта 1942 года — заместитель командующего Калининским фронтом по танковым войскам. С августа 1942 года — командир 17-го танкового корпуса, который в январе 1943 года преобразован в 4-й гвардейский танковый корпус (после войны стал 4-й гвардейской Кантемировской дивизией). За годы Великой Отечественной войны П. П. Полубояров 15 раз персонально упоминался в приказах Верховного Главнокомандующего СССР И. В. Сталина. Корпус под командованием генерала Полубоярова в составе Воронежского, Юго-Западного и 1-го Украинского фронтов участвовал в контрнаступлении под Сталинградом, битве под Курском, в Житомирско-Бердичевской, Проскуровско-Черновицкой, Львовско-Сандомирской, Карпатско-Дуклинской, Висло-Одерской, Нижне-Силезской и Верхне-Силезской, Берлинской и Пражской операциях. За успешные боевые действия корпус награждён орденами Ленина и Красного Знамени, а самому Полубоярову за умелое управление войсками при овладении Дрезденом и проявленные героизм и мужество 29 мая 1945 года было присвоено звание Героя Советского Союза.
После войны командующий 5-й гвардейской танковой армией. С марта 1949 года — заместитель, а с мая 1953 года — первый заместитель командующего бронетанковыми и механизированными войсками Вооружённых сил СССР. С мая 1954 года — начальник бронетанковых войск Советской Армии. С мая 1969 года и до конца жизни — военный инспектор-советник Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР.
Похоронен на Новодевичьем кладбище.