Андерсон бил опкружен со камери уште од своето најрано детство, а првиот филм го снимил на осумгодишна возраст. Во текот на тинејџерските години, 8-милиметарската камера ја заменил со 16-милиметарска. Некои од неговите кратки филмови подоцна му послужиле како инспирација за оние од зрелата возраст – 30-минутниот документарец за измислената порно-ѕвезда Дирк Диглер снимен во 1988 година бил, всушност, базата за создавањето на „Boogie Nights“.
Филмовите на Андерсон имаат неколку заеднички тематики, стилови и обележја. Во нив има многу реални и несовршени ликови, а повеќето се фокусираат на дисфункционални семејни врски, сурогат-семејства, жалење и очај, опфаќајќи ја тематиката на негирање и одговорност. Што се однесува до снимањето, јасно е дека тој се наоѓа под влијанието на кинематограферскиот свет на Скорсезе, посебно со продолжените Steadicam кадри. Почетниот кадар на „Boogie Nights“ е реминисценција на сцената од ноќниот клуб „Копакабана“ во филмот „Goodfellas“. Што се однесува до изборот на актерите, Андерсон има силно око за таленти, избирајќи ги своите најомилени актери и повеќекратно работејќи со нив низ целата кариера. Тој создава посебни улоги за секој актер и собира неверојатно талентирани актерски имиња, вклучувајќи ги Џон С. Реили, Филип Сејмор Хофман, Хоакин Феникс и Филип Бејкер Хол. Секој негов филм освен „Hard Eight“ има дејство што се одигрува во неговата родна Калифорнија, што ја докажува важноста што неговото детство ја има врз филмската работа.
Честа тематика во неговите филмови е комплексната врска на релацијата татко-син. Исто така, важна улога во филмскиот свет на Пол Томас Андерсон има и магичниот реализам, од катаклизмични врнежи на жаби до дезориентирани наркотични секвенци. Идејата за безграничниот филмски свет е таа што го турка Андерсон да биде оригинален, авантуристички настроен и запрепастувачки добар. Тој е под влијание на филмаџии од калибарот на Мартин Скорсезе, Роберт Алтман, Стенли Кјубрик, Орсон Велс, Џон Форд и други.
Во 1996 година по потпишувањето договор со „Rysher Entertainment“, Пол Томас Андерсон го прави својот прв долгометражен филм „Hard Eight“.
Токму овој филм ќе ја лансира неговата кариера. Следната 1997 година веќе го работи својот нов филм „Boogie Nights“. Овој филм ќе се претвори во вистински хит, со одлична комерцијална заработка и сјајни критики. Се закити и со три номинации за Оскар: за најдобра машка споредна улога (Берт Рејнолдс), најдобро сценарио и најдобра женска споредна улога (Џулијан Мур). Откако добил целосна креативна слобода од „New Line“, Пол Томас Андерсон го претставува филмот „Magnolia“ (1999). Музиката на Aimee Mann била основа и инспирација за целиот филмски процес, а филмот се смета за парадигма на силата на американската кинематографија, завршувајќи со три номинации на 72-то издание на Оскарите.
По „Магнолија“, Пол Томас Андерсон ќе заплови во водите на комедијата со Адам Сендлер како главна улога во неговиот филм „Punch-Drunk Love“ (2002). Станува збор за сопственик на бизнис, кој има седум сестри и многу проблеми со бесот. За оваа улога Сендлер ќе добие одлични критики, а Андерсон ќе ја освои наградата за најдобар режисер на Канскиот филмски фестивал во 2002 година.
Неговиот филм „There Will Be Blood“ (2007) се смета за еден од најголемите филмови на првата деценија на 21 век. Заработил 76,1 милиони долари низ целиот свет и осум номинации на 80-тото издание на Оскарите. Главниот актер Даниел Деј Луис го доби Оскарот за најдобра машка улога, а Пол Томас Андерсон доби одлични критики за својата работа.
„The Master“ (2012) е приказна за харизматичен зачетник на нова религија во 50-тите години на минатиот век. Андерсон почнал да го пишува сценариото во 2009 година и во неговата глава било дури 12 години. Овој филм добил три номинации за Оскар.
Во 2013 се појавува „The Vice“, филмската адаптација на романот на Томас Пинчон „Inherent Vice“ со Овен Вилсон и Рис Витерспун. Вештината на овој режисер доаѓа до израз и при режирањето на 54-минутниот документарец „Junun“ за снимањето на еден албум што го дели истото име со неколку музичари – Џони Гринвуд, еден израелски композитор и неколку индиски музичари. По историската драма „Phantom Thread“, во 2019 Пол Томас Андерсон го претстави краткиот филм „Аnima“ како придружба на истоимениот албум на Том Јорк, кој е номиниран за најдобар музички филм на наградите Греми во 2020 година.
Пол Томас Андерсон е познат по неговиот храбар визуелен стил и заштитните знаци какви што се продолженото движење на камерата, добриот избор на музика, како и долгите клапи. Го нарекуваат еден од највозбудливите таленти што се појавиле во филмскиот свет, а неговите филмови се полни со самотија и со духови од минатото. Сето ова го прави Пол Томас Андерсон вистински мајстор на филмскиот занает и извонреден синеастички auteur.