Il fit ses études à l'Institut polytechnique de Petrograd et il y enseigna l'ingénierie électrique. En 1921, il se rendit en Angleterre pour étudier à l'université de Cambridge. Peu après, il devint l'assistant d'Ernest Rutherford, directeur des recherches sur le magnétisme au laboratoire Cavendish. Quand Kapitsa retourna en URSS, en 1934, pour assister à une conférence scientifique, on lui interdit de quitter le pays. Il devint directeur de l'Institut des problèmes physiques de l'Académie des sciences d'URSS. Il est surtout connu pour ses réalisations dans le domaine de la liquéfaction des gaz, et en particulier pour la conception de méthodes simples de fabrication d'hélium et d'hydrogène liquides. Il fit également des recherches sur les effets des basses températures et des champs magnétiques élevés sur les métaux. En 1955, il fut nommé directeur du programme soviétique de satellite terrestre.

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