Fernando António Piteira Santos nasceu na Amadora, numa vivenda que fazia esquina entre as ruas Diogo Bernardes e Guilherme Gomes Fernandes, em 23 de janeiro de 1918. Foi o único filho vivo dos três partos que teve a sua mãe, D. Leonilde Bebiana Piteira. O pai – Vitorino Gonçalves dos Santos – seguiu a carreira militar, no ramo da marinha. Homem de profundas convicções republicanas, participou na revolução de 5 de outubro de 1910, facto que lhe valeu a distinção e condecoração com a Grã Cruz de Guerra.
Na Amadora, onde viveu até aos 39 anos, Piteira Santos fez a sua escolaridade básica. Frequentou o Externato Alexandre Herculano, desenvolvendo paralelamente aos estudos uma intensa atividade desportiva. Sócio do Clube de Futebol Estrela da Amadora, foi atleta da Associação Académica da Amadora, na modalidade de hóquei em patins, e do Sporting Clube de Portugal, clube pelo qual sempre nutriu uma profunda simpatia.
Concluído o ensino secundário, no Liceu Passos Manuel, matriculou-se na Faculdade de Direito de Lisboa. Não tardou, no entanto, a abandonar este curso, deixando-se seduzir pela História. Ingressou, então, na Faculdade de Letras de Lisboa, matriculando-se no curso de Histórico-Filosóficas.
Ainda estudante, fez parte do grupo dos futuros neorrealistas, de onde iria nascer o jornal "Diabo", e ingressou nas Juventudes Comunistas, tendo, na década de 40, desempenhado um papel importante na reorganização dos setores juvenil e intelectual do PCP. Fundador do MUNAF (Movimento de Unidade Nacional Anti-Fascista), foi, durante o IIIº Congresso do PCP, eleito para o seu comité central, cabendo-lhe, até à sua prisão, em 1945, a direção do setor militar do partido.
Um ano depois, em 1946, consorciou-se, em segundas núpcias, com D. Maria Stella Bicker Correia Ribeiro.
Expulso do Partido Comunista, em 1950, acusado de «titista» e de «revisionista», Piteira Santos aproximou-se, então, da Resistência Republicana e Socialista, vindo a ser, em 1961, um dos subscritores do "Programa para a Democratização da República". Elemento fundamental na ligação entre as Juntas Patrióticas e os representantes dos exilados portugueses no Brasil, participou, no ano seguinte, no assalto ao quartel de Beja. O fracasso do golpe acabou, no entanto, por ditar a sua passagem à clandestinidade e posterior exílio no Norte de África, onde viria a manter-se até ao dia 2 de maio de 1974. Em Argel, foi um dos membros fundadores da FPLN (Frente Patriótica de Libertação Nacional), de cuja comissão delegada chegou a fazer parte, desenvolvendo, neste estrutura, um trabalho importante visando a criação de uma frente unitária de oposição ao regime salazarista. Foi, de resto, um dos responsáveis pelo efémero entendimento entre Humberto Delgado e o PCP, consumado pouco tempo antes da morte do general.
Depois da "revolução de Abril", Piteira Santos regressou a Portugal. Entre 1974 e 1988, lecionou na Faculdade de Letras de Lisboa e na Faculdade de Ciências Sociais e Humanas da Universidade Nova de Lisboa, orientando cadeiras, seminários e dissertações dedicados ao estudo das questões metodológicas da História e dos regimes fascistas e totalitários, em particular do "Estado Novo". O interesse por esta temática terá sido determinante na sua nomeação para Comissão do Livro Negro do Fascismo. Historiador de método, foi um dos percursores da escola dos "Annales", no nosso país, constituindo a sua obra Geografia e Economia da Revolução de 1820 um exemplo cabal de uma história total. Escritor prolixo, não se dedicou exclusivamente à História, abarcando outras áreas do saber, nomeadamente a economia, onde publicou o livro As Grandes Doutrinas Económicas, dado à estampa sob o pseudónimo de Arthur Taylor. Deixou igualmente uma vasta colaboração dispersa por diversos periódicos, centrada, sobretudo, na história do movimento operário e do Portugal contemporâneo, tendo, em 1979, publicado a obra Raul Proença e a Alma Nacional, pensador por quem sentiu um enorme fascínio nos últimos anos da sua vida. A última lição de Piteira Santos ocorreu no dia 30 de junho de 1988, na Faculdade de Letras de Lisboa.
Além de professor e historiador, Piteira Santos desenvolveu outras actividades profissionais. Trabalhou nas editoras Europa-América e Sá da Costa e foi jornalista. Colaborou na "Seara Nova" e na revista "Ler", da qual chegou a ser chefe de redação.
Os seus artigos cristalizaram uma leitura atenta da sociedade portuguesa sobre a etiologia da qual nos deixou importantes interpretações, facto que lhe valeu a perseguição da censura.
Após 1974, assumiu o lugar de diretor adjunto do "Diário de Lisboa", onde, a partir de 1976, manteve uma coluna de análise política, intitulada "A a Z".
Morreu no dia 28 de setembro de 1992, no Hospital de Santa Maria, onde havia sido internado em 9 de julho, vítima de problemas cardiovasculares. A sua última aparição pública ocorreu quatro dias antes do seu internamento, num almoço de resistentes antifascistas, realizado na sociedade Voz do Operário.