Родился 13 ноября 1903 года в Москве в семье юриста.

С 1915 года посещал воскресную Замоскворецкую школу рисования и живописи.

1918–1920 гг. — Служил в жилищно-земельном отделе Замоскворецкого Совета рабочих, крестьянских и красноармейских депутатов.

1920 г. — Поступил во Вторые государственные свободные художественные мастерские (ГСХМ) к автору росписи первой русской матрёшки С.В. Малютину. Затем его зачислили на испытательно-подготовительное отделение при ВХУТЕМАСЕ к художнику М.Ф. Шемякину.

1921–1925 гг. — Учился на полиграфическом факультете в мастерской В.А. Фаворского, занимался у художников В. Фалилеева, Н. Ульянова, Д. Кардовского.

1924 гг. — Участвовал в первой дискуссионной выставке объединений активного революционного искусства. На этой выставке вступил в «Объединение трёх» с художниками А. Дейнекой и А. Гончаровым.

1924–1925 гг. — Начал заниматься журнальной графикой. Иллюстрировал повести и рассказы в журнале «Самолёт» совместно с А. Гончаровым. Иногда они подписывали свои работы псевдонимом ПИГО.

1925 г. — Вошёл в группу выпускников ВХУТЕМАСа, которая учредила Общество художников-станковистов.

1925–1928 гг. — Активно работал в ОСТе. Иллюстрировал журналы: «30 дней», «Прожектор», «Советский экран», «Красная нива», «Красная панорама». Создавал работы на антивоенную, индустриальную и спортивную тематики. За картину «Даёшь тяжёлую индустрию!» (1928) получил премию жюри на выставке художественных произведений к десятилетнему юбилею Октября. Совместно с А. Дейнекой оформил инсценировку романа Гладкова «Цемент» в четвёртой студии Художественного театра.

1928 г. — Вместе с художниками П. Вильямсом и Н. Купреяновым отправился на три месяца в Германию и Италию (командирован Наркомпроссом).

1928–1931 гг. — Создал римскую и гамбургскую серии рисунков, графический альбом «Перегоним».

1931 г. — Вошёл в группу «Изобригада», отделившуюся от ОСТа. В том же году женился на Н.А. Вернадской.

1932–1936 гг. — Увлекался творчеством В.А. Серова и Э. Манэ, работал над портретами, натюрмортами, афишами. Выступил в качестве художника-постановщика спектаклей «Искусство интриги» Э. Скриба (1935) и «Дальняя дорога» А. Арбузова (1936) в Театре имени М.Н. Ермоловой.

1934 г. — Совершил поездку на Уралмашзавод. Создал триптих «Работницы Уралмашзавода». Написал картину «Новая Москва». Получил золотую медаль на Международной выставке «Искусство и техника в современной жизни» в Париже за панно «Бусыгин ставит новые рекорды», выполненное вместе с В. Васильевым и И. Штанге для павильона СССР. Выступил как художник-постановщик оперы Д.Б. Кабалевского «Мастер из Кламси» в Ленинградском государственном академическом малом оперном театре. Родился сын Михаил. Сделал эскиз панно «Физкультурный парад» для павильона СССР на Всемирной выставке «Мир завтрашнего дня» в Нью-Йорке.

1939–1940 гг. — Работал над иллюстрациями книги В.В. Маяковского «Детям» и С.Я. Маршака «Хороший день».

1941–1945 гг. — Участвовал в создании «Окон ТАСС». Писал военные пейзажи, тематические картины, натюрморты, цикл работ о городских огородах. Создает эскизы декораций к спектаклю Э. Ростана «Сирано де Бержерак» в Московском государственном театре имени Ленинского Комсомола (1943). В 1943 году был командирован на Северо-Западный фронт. Выполнил серию рисунков «Северо-Западный фронт».

1945–1972 гг. — Преподавал живопись на художественном факультете ВГИКа имени С.А. Герасимова (ранее — Всесоюзного государственного института кинематографии).

1945–1946 гг. — Работал художником-постановщиком спектаклей «Копилка» Э. Лабиша и А. Делакура и «Дама с камелиями» А. Дюма-сына в ЦАТРА (ранее — Центральный театр Красной Армии).

1947 г. — Присуждена Государственная премия СССР за декорации к пьесе Б. Лавренёва «За тех, кто в море!» в постановке Государственного академического Малого театра. Получил звание профессора по кафедре живописи и рисунка ВГИКа. Состоялась выставка произведений Ю.И. Пименова и В.Г. Одинцова (Москва, Ленинград, Рига).

1949 г. — Принял участие в создании эскизов декораций к кинофильму «Кубанские казаки». Родилась дочь Татьяна.

1950 г. — Художнику была присуждена Государственная премия СССР за оформление спектакля «Степь широкая» Н. Винникова в ЦТСА (1949). В издательстве «Советский художник» вышла первая монография о Пименове (В. Алмоевой).

1950-е гг. — Создал серии работ «В Подмосковье», «Московская жизнь», «Вещи каждого дня», «Рассказы о простой Европе» и др.

1954 г. — Был избран членом-корреспондентом Академии художеств СССР.

1957 г. — Присвоено звание заслуженного деятеля искусств РСФСР.

1958 г. — Совершил поездку в Грецию. Участвовал и присутствовал на XXIX Международной выставке искусств (биеннале) в Венеции. В издательстве «Советский художник» вышла первая книга Ю. Пименова «В Подмосковье». Получил серебряную медаль Министерства культуры СССР за серию картин и рисунков «Рассказы о москвичах». Избран секретарем правления СХ СССР.

1960 г. — В издательстве «Советский художник» вышли большая монография О. Бескина о художнике и книга Ю. Пименова «Год путешествий».

1960-е гг. — Работал над сериями «Новые кварталы», «Вещи людей», «Композиции на античные темы», «Актёры в ролях», «Свидания», «Цветы». Пишет портреты, пейзажи. Художник-постановщик спектаклей «Вишневый сад», «Влюблённый лев», «Таланты и поклонники».

1961 г. — По приглашению английской балетной труппы вместе с художником Г.И. Епишиным поставил в Лондоне балет П.И. Чайковского «Снегурочка». Состоялась персональная выставка (Москва, Киев, Ленинград). Командирован в Индию с персональной выставкой (Дели, Хайдарабад).

1962 г. — Пименову было присвоено звание народного художника РСФСР. Избран действительным членом Академии художеств СССР.

1964 г. — Присуждена золотая медаль Академии художеств СССР за серию картин «Новые кварталы» (1963–1964 гг.). В издательстве «Искусство» вышли две книги Ю. Пименова «Искусство жизни, или Искусство ничего» и «Необыкновенность обыкновенного». Там же издана книга-альбом А.Д. Чегодаева «Ю.И. Пименов».

1967 г. — Присуждена Ленинская премия за серию картин «Новые кварталы».

1968 г. — Состоялась персональная выставка работ художника в Ленинграде.

1970-е гг. — Продолжал работу над сериями: «Композиции на античные темы», «Свидания». Писал портреты, пейзажи, в качестве художника-постановщика работал над спектаклями «Дядюшкин сон» Ф. Достоевского в Московском академическом театре им. Вл. Маяковского (1971), «Тот, кто получает пощечины» Л. Андреева в ЦТСА (1972). Создавал афиши и эскизы декораций ряда сцен к телефильму «Красное и чёрное» (1976).

1970 г. — Присвоено звание народного художника СССР. В издательстве «Советский художник» выпущена подборка открыток «Цветы». Награждён орденом Ленина. Прошли персональные выставки в Польше и ФРГ. В издательстве «Советский художник» вышла последняя из опубликованных при жизни книг Ю.И. Пименова «Таинственный мир зрелищ». Совершил поездку в Японию с персональной выставкой.

1977 — Поездка в Венгрию и Болгарию с персональной выставкой.

6 сентября 1977 года скоропостижно скончался в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище.