Родился в Петербурге в семье военного. В годы гражданской войны потерял родителей и в 1921 г. попал в школу имени Достоевского для беспризорных. Воспоминания об этой школе легли в основу очерков и рассказов. Пантелеев стремился, чтобы детская книга была книгой глубокого содержания, “где были бы юмор, и героика, и лирика, и настоящие человеческие страсти, и большая мысль”. Этими качествами книги Пантелеев заслужили свою популярность.
В 1930–40 гг. он объединил ряд своих произведений в цикл “Рассказы о подвиге”: “Пакет”, рассказывающий о гражданской войне, “Ночка”, “Гвардии рядовой”, посвященный событиям отечественной войны, “Новенькая”, “Платочек”.
Умер писатель в 1987 г. в Москве.
Пантелеев был автором очерков, рассказов, дневников, посвященных блокадному Ленинграду: “В осажденном городе”, “Январь”, а также воспоминаний о писателях – С. Маршаке, Е. Шварце, М. Горьком.
Некоторые повести и рассказы Пантелеева были экранизированы (“Часы”, “Республика Шкид” и др.).