Philippe Fénelon commence des études de piano au conservatoire d’Orléans et suit l’enseignement de Claude Ardent et Janine Coste. Il entre au Conservatoire national supérieur de musique de Paris, dans la classe de composition d’Olivier Messiaen, où il obtient un premier prix en 1977. Encouragé par André Boucourechliev, il lui dédie Ballade pour hier (1976). Parallèlement, il étudie à l’École nationale des langues orientales vivantes. Titulaire du Prix du jury au concours Stockhausen de Bergame, en 1980, il est pensionnaire de la Casa Vélazquez à Madrid de 1981 à 1983.

Passionné de poésie et de dramaturgie, Fénelon affirme son esthétique, dont la priorité consiste à construire sa musique à partir d’une structure narrative, dès ses premières pièces, comme Les trois hymnes primitifs (sur des poèmes de Segalen, 1974) ou Les chants du héros (sur des poèmes de Rabindranath Tagore, 1975). S’ensuit par conséquent une importante œuvre vocale et notamment des opéras, dont le premier, Chevalier imaginaire (1984-1986), d’après Cervantès et Kafka, créé en 1992 est suivi des Rois (1988-1989), Salammbô d’après Flaubert(1992-1996),**Faust (2003-2004), Judith (2006-2007), puis La cerisaie d’après Tchekov (2008-2009). Pour le tricentenaire de la naissance de Jean-Jacques Rousseau, Fénelon compose JJR, citoyen de Genèvesur un livret de Ian Burton que le Grand théâtre de Genève créera en septembre 2012.

De nombreuses autres pièces font appel à de grands textes littéraires ainsi qu’à des formes ou des références poétiques et musicales anciennes tel que Dix-huit Madrigaux de 1996, sur les Élégies de Duino de Rilke, In darkness (1998), inspiré des Lamentations de la Renaissance sur des poèmes élisabethains, le Magnificat (2002), les Leçons de ténèbres (2003), les Deux airs de concert (1999-2006), ou encore, inspiré du motet, Ich lasse dich nicht (2007). Sa production vocale récente inclut Les fourmis, « suite philosophique », pour baryton, piano et tambour (2008), et Les portes de Babel pour quatuor vocal et quatuor à cordes (2009).

Entre les grandes œuvres vocales, sa production instrumentale est aussi très abondante. Les premières pièces Lointain pour ensemble (1977), « Du, meine Welt ! » (1979) montrent déjà une grande liberté alliant des séquences aléatoires à une structure déterminée. Maipù 994 et Diagonal en 1983, les Onze Inventionspour quatuor à cordes (1988) puis le cycle instrumental des Mythologies (1989-1990) affirment sa volonté d’expérimentation. Gloria pour grand orchestre (2004-2005), une musique de ballet Pasodoble, pour ensemble (2006) et des pièces solistes Le calme des puissances pour piano (2008), Anima pour viole de gambe ténor (2010) sont parmi les œuvres instrumentales récemment créées.

Lauréat de nombreux prix internationaux – prix Georges Wildenstein en 1983, prix Hervé Dugardin en 1984, prix Villa Medicis hors les murs en 1991 – Philippe Fénelon est compositeur invité par le DAAD à Berlin en 1988, puis boursier de la fondation Beaumarchais en 1990, pour son troisième opéra Salammbô et reçoit le Prix des nouveaux talents en musique dramatique de la Société des auteurs et compositeurs dramatiques (SACD) en 1992. Il est de nouveau lauréat d’un prix de la SACD en 2004, gagne le Prix Rossini de l’Académie des Beaux-Arts en 2006 puis le Grand prix de la musique symphonique de la SACEM en 2007. Il est Chevalier de l’Ordre national du mérite et Chevalier de la Légion d’honneur.

En 2018, Philippe Fénelon verse ses archives à la Bibliothèque nationale de France.