Ancien élève de l'École normale supérieure Paris-Saclay (section mathématiques, 1976-1980), il poursuit des études de mathématiques appliquées aux sciences économiques à l'université Paris I où il obtient successivement un DEA en 1981 puis un doctorat de 3 cycle en 1983. Il reçoit un PhD en économie d'Harvard en 1987.
Professeur assistant au MIT de 1987 à 1989, chargé de recherche au CNRS de 1989 à 1990, économiste à la BERD de 1990 à 1992, Fellow au Nuffield College de l'université d'Oxford de 1992 à 1996, Philippe Aghion est nommé professeur d'économie à UCL en 1996 où il reste jusqu'en 2002. Il devient ensuite Robert C. Waggoner Professor of Economics à Harvard de 2002 à 2015. Depuis 2015 il est titulaire de la chaire « Économie des institutions, de l'innovation et de la croissance » au Collège de France, et est Centennial Professor à la London School of Economics.
Il a été membre du Conseil d'analyse économique (CAE) et a fait partie de la Commission pour la libération de la croissance française, dite Commission Attali, dont le rapport a été rendu le 23 janvier 2008 au président Nicolas Sarkozy. Il était l'un des conseillers en économie de François Hollande.