Chambon a étudié à l'École nationale supérieure des beaux-arts de Lyon, où il a rencontré sa future femme, la peintre Michèle Bocquet. En 1957, ils ont créé leur propre cabinet d'architecture à Lyon, et en 1968, ils ont déménagé à Paris pour y ouvrir un nouveau bureau.
L'un de ses premiers projets importants a été la rénovation de l'abbaye Sainte-Croix d'Orsan dans le département du Cher en 1960. Il a également conçu plusieurs écoles, bibliothèques, musées et autres bâtiments publics à travers la France, dont les maisons d'arrêt de Reims (1982) et de Saint-Denis (1987), la Maison de la Radio à Paris (1975) et le Centre national de la cinématographie à Lyon (1986).
Chambon a également travaillé sur plusieurs projets en Belgique, au Luxembourg, au Maroc, en Suisse et au Japon. Parmi ses réalisations les plus connues figurent le Centre culturel franco-belge à Bruxelles (1982) et la Bibliothèque nationale du Luxembourg à Luxembourg-ville (1993).
En 2005, Pierre Chambon a reçu le Grand prix national de l'architecture pour sa carrière. Il a également été membre honoraire de l'Académie française et de la Royal Institute of British Architects. En 2016, un recueil de ses écrits intitulé "Pierre Chambon, Oeuvres Complètes" a été publié par les éditions Flammarion.
Enfin, il est important de souligner que Pierre Chambon a toujours insisté sur la nécessité d'une architecture qui soit en harmonie avec son environnement et qui répond aux besoins des usagers. Il s'est également impliqué dans de nombreuses causes environnementales et a été un ardent défenseur du patrimoine architectural français.