Родился Шаблон:СС3 года в Москве в семье помощника присяжного поверенного Ивана Васильевича Пименова и Клавдии Михайловны Пименовой, происходившей из московского купеческого рода Бабаниных[1].
С 7 лет учился в 10-й Московской гимназии. В 1915 году по рекомендации гимназического учителя рисования Алфёрова его устроили в Замоскворецкую школу рисования и живописи; по свидетельству самого Пименова: «Учась в гимназии, я с двенадцати лет начал ходить в воскресную школу рисования и живописи. <…> Художником решил стать обязательно <…> Дома я рисовал пейзажи и срисовывал с открыток Серова, Сомова».
В 1920—1925 годах учился во ВХУТЕМАСе на живописном и полиграфическом факультетах у В. А. Фаворского и С. В. Малютина: «Я учился у Малютина, Шемякина, Фалилеева и очень благодарен им. Но большее вхутемасовское время я проучился у Фаворского и – может быть, без права – хочу считать себя его учеником…» С 1923 года работал в журналах: делал иллюстрации для журналов «Красная нива», «Прожектор»; затем — «Самолёт», «30 дней», «Советский экран» и других. Однако на первом месте в это время для него была станковая живопись; по окончании учёбы в 1925 году он стал одним из учредителей Общества станковистов (ОСТ). С январе 1931 года часть ОСТа образовала общество художников «Изобригада», в которую членом-учредителем и Пименов. Он был также членом АХРС. В 1928 году он посетил Италию и Германию.
В ранний период испытал большое влияние немецкого экспрессионизма, что во многом объясняет надрывно-драматическую остроту лучших его картин этих лет: «Инвалиды войны» (1926, Государственный Русский музей), «Даёшь тяжёлую индустрию!»[2] (1927); «Солдаты переходят на сторону революции» (1932; обе — в Третьяковской галерее).
В 1931 году женился на Наталье Константиновне Бернадской.
В 1932 году вышло «Постановление о перестройке литературно-художественных организаций», которое сразу прекратило деятельность всех объединений, в том числе и «Изобригады»; для Пименова наступили тяжёлые времена, о которых он вспоминал:
«…Это было мое трудное время. У меня расползлись нервы, я совсем не мог работать. К тому же меня постигли и профессиональные беды: одну книжку, которую я иллюстрировал, за рисунки признали формалистической, и я оказался без денег и без работы, так как после этой книжки работы в журналах мне не давали, и мы существовали на те деньги, которые стенографией зарабатывала моя жена». Результатом стала переоценка Пименовым своего творчества. В 1930-е годы главной темой его творчества стал город; в 1937 году он создал одно из самых известных своих произведений – картину «Новая Москва» (Третьяковская галерея), в которой в полной мере раскрылась обновленная, более светлая, свободная манера живописи художника. Он перешёл к обновлённому импрессионизму, исповедуя творческий принцип «прекрасного мгновения», лёгкого и артистичного образа-впечатления. Работал в театрально-декорационном искусстве, занимался иллюстрацией книг, монументально-декоративными работами (панно). За панно «Стахановское движение» для павильона СССР на Всемирной выставке 1937 года в Париже получил золотую медаль. Стал мастером рекламного киноплаката, в котором использовал элементы станкового искусства.
В 1936—1937 годах преподавал в московском Институте повышения квалификации художников-живописцев.
В 1941—1945 годах он работал в Окнах ТАСС. В 1943 году был командирован на Северо-Западный фронт, в район Старой Руссы и в Ленинград; создал серию произведений на военную тематику. Другой главной темой в его в это время стало изображение героев тыла. В 1949 году как художник он работал на съёмках фильма «Кубанские казаки».
В 1945—1972 годах преподавал на художественном факультете во ВГИКе, профессор с 1947 года. В 1954 году избран членом-корреспондентом, в 1962 — действительным членом Академии художеств СССР. Член Союза художников СССР.
На открытые аукционные торги было выставлено более 100 его работ. Рекордная цена за работу Ю. И. Пименова — 1 538 500 долларов — была заплачена а крупноформатный (примерно 2,5 х 1 метр) холст 1950 года «Праздник Первомая» на нью-йоркских торгах Sotheby’s 4 ноября 2010 года. За его работу «Похищение Европы» на Sotheby’s (Лондон) 7 июня 2010 года было заплачено 433 250 фунтов (626 869 долларов).
С середины 1950-х годов он много путешествовал, увлёкся литературной работой, опубликовал ряд очерков: «Заметки о работе художника» (1955), «Прекрасная простая жизнь» (1956), «В Подмосковье» (1956), «Рассказ о поездке в Лондон» (1962), «В древней и новой Индии» (1962), «Новые кварталы» (1966); написал книги: «Год путешествий» (1960), «Искусство жизни или “искусство ничего”» (1964), «Необыкновенность обыкновенного» (1964), «Цветы» (1970), «Таинственный мир зрелищ» (1974).
В Подмосковье. (Записки художника). — Шаблон:М., 1958
Год путешествий. (Путевые заметки). — Шаблон:М., 1960
Искусство жизни или «искусство ничего». — Шаблон:М., 1960; 2-е изд., доп. — Шаблон:М., 1964.