Родился в Киеве. В 1902 поступил на историко-филологический факультет Киевского университета, который окончил в 1907 г., получив золотую медаль за работу «Проблема реальности у Беркли». Интересовался античной философией, опубликовал ряд работ по гносеологии и этике. С 1913 — приват-доцент. Примкнул к партии эсеров, неоднократно подвергался аресту, однако в 1917 порвал с ними, сблизился с большевиками. После революции испытывал нужду, занялся преподавательской деятельностью. Познакомился с Г. И. Челпановым, при содействии которого окончательно переехал из Киева в Москву и занялся психологическими исследованиями, став аспирантом Челпанова.
С 1919 руководит Московской академией народного образования. Его взгляды всё больше расходятся с взглядами Челпанова, поскольку Блонский стремится к перестройке психологии на основе материалистического мировоззрения. Блонский был не столько материалистом, сколько противником интроспекционизма, который к тому времени уже давно утратил позиции на Западе под натиском бихевиоризма, однако сохранял позиции в России, где у него были такие известные сторонники, как Г. И. Челпанов, Н. О. Лосский, С. Л. Франк и др. Противопоставляет интроспекционизму естественнонаучный подход. Рассматривая психологию как науку о поведении, повторяет постулаты бихевиоризма.
В 1920-е гг. исключительно плодотворен, выпустил ряд учебников, в том числе школьных, статьи его публикуются за рубежом. По рекомендации Н. К. Крупской становится членом научно-педагогической секции Государственного ученого совета, участвует в разработке учебных программ и в школьной реформе, пользуется поддержкой А. В. Луначарского.
В 1924—1928 заинтересовался педологией, позднее разочаровался в ней. Тем не менее, спорил со сторонниками «социогенетизма», то есть формирования характера средой: считал, что заложенные природой стадии развития человека (которые он понимал сугубо материально) нельзя ускорить. Позднее в книге «Очерки детской сексуальности» (1928) выступает с критикой психоанализа.
Круг исследуемых им проблем был чрезвычайно широк. В частности, разрабатывал проблемы, смежные для психологии и педагогики. Сформулировал генетическую (стадиальную) теорию памяти, согласно которой различные виды памяти — моторная, аффективная, образная и вербальная — описываются как этапы развития человека, его речи и мышления, изменения им окружающей действительности.
После смерти его имя около 20 лет не упоминалось в психологической литературе, тем более, что в советской психологии в то время одержали верх сторонники «социогенетизма», а Блонский всегда был противником этой теории.
Своей научной школы не создал, хотя многие его идеи развивает ряд современных психологов, в частности, Т. Д. Марцинковская.