Окончил Харьковский институт народного образования в 1930 году. С середины 1930-х гг. разрабатывал теоретически и экспериментально деятельностный подход в психологии памяти. Первые экспериментальные работы П. И. Зинченко (1939) концептуально основывались на теории деятельности и предшествовали первым публикациям А. Н. Леонтьева (1941, 1944 и др.), в которых излагались основные понятия и положения психологического анализа деятельности. На основе теории деятельности открыл и тщательно исследовал целый ряд мнемических эффектов: эффект интерференции мнемической и «познавательной» задач; структурно-деятельностный эффект (материал, составляющий цель действия, запоминается более эффективно чем аналогичный материал, относящийся к условиям достижения цели); негативный эффект возраста (превосходство первоклассников над более старшими возрастными группами в непроизвольном запоминании чисел при решении арифметических задач); а также эффект, который открыли американские когнитивные психологи Н. Сламека (N. J. Slamecka) и П. Граф (P. Graf) (The generation effect: delineation of a phenomenon, 1978), давшие ему название «эффект генерации» (generation effect): лучше запоминается материал, который испытуемые сами придумывают, по сравнению с аналогичным материалом, который им предъявляется. Последний можно рассматривать как вариант структурно-деятельностного эффекта и, по справедливости должен называться «эффектом Зинченко». Исследования П. И. Зинченко имели тесную связь с педагогической практикой.
В 1959 году получил степень доктора педагогических наук. С 1960 профессор, зав. кафедрой психологии и руководитель психологической лаборатории Харьковского университета. В 1963 году П. И. Зинченко основал и возглавлял до своей смерти кафедру психологии в Харьковском университете.