Il naît dans une famille de maître-maçons. De 1533 à 1536 il séjourne à Rome où il étudie les monuments antiques. Il étudia en Italie, et fut attiré à Paris en 1537 par le cardinal Jean du Bellay, qui le fit connaître à la cour de François Ier et de Henri II. Il y fut comblé de faveurs et reçut même en don plusieurs abbayes, quoiqu'il ne fût que tonsuré.
Delorme donna pour Henri II les plans des châteaux d'Anet et de Meudon, et plus tard, pour Catherine de Médicis, ceux du palais des Tuileries, dont il fut nommé gouverneur.
Il a publié un Traité complet de l'Art de bâtir, suivi de Nouvelles Inventions pour bien bâtir et à petits frais, Paris, 1561; il a laissé son nom à une espèce de couverture en charpente de son invention. Enthousiaste de l'architecture antique, Ph. Delorme s'efforça de l'adapter au climat et aux mœurs de la France.
Il fut le premier à porter le titre d'« architecte du roi » sous Henri II. Selon A. Jouanna il fit "passer l'architecte du statut d'ouvrier à celui d'artiste".
Il s'est aussi distingué comme l'inventeur de la technique de construction des toits de carène, technique largement répandue dans plusieurs régions françaises, par exemple en Lozère autour de Mende.
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