Будущий святитель родился в 1644 году (по др. источникам — 1645) на Смоленщине, в городе Вязьме. Кем были его родители доподлинно неизвестно (одно из преданий связывает их имена с изображенными на Тамбовской иконе Богоматери предстоящими преподобномученицей Евдокией и преподобным Алексием Человеком Божиим). Особое почитание святителем Питиримом Прокопия Декаполита дает твердое основание считать, что во Св. Крещении мальчика назвали Прокопием. По-видимому, юный Прокопий получил школьное или домашнее образование, и, помимо обычных предметов, изучил иконописание.
Характер, наклонности юноши и, вероятно, желание родителей определили его решение поступить в Вяземский Иоанно-Предтечев монастырь. По утверждению одного из жизнеописателей, в возрасте 20 лет Прокопий принял постриг с именем Питирим. Молодой монах Питирим, снискавший уважение братии, в 1677 году был избран настоятелем монастыря. Новый игумен преуспел в деле благоустройства и улучшения внутренней жизни обители.
В 1682 году была учреждена Тамбовская епископская кафедра, на которую «Февраля в 15 день (1685г. — сост.), в день недельный, повелением государей царей и великих князей Иоанна Алексеевича, Петра Алексеевича, всея великия и малыя и белыя России самодержцев, великий господин святейший Иоаким, Патриарх Московский и всея России, поставил во епископы в Тамбов из Вязьмы Предтечева монастыря архимандрита Питирима в Соборной церкви Успения Богородицы (в Московском Кремле — сост.)».
Только в начале марта 1686 года епископ Питирим прибыл в главный город епархии — Тамбов. 17 век — время освоения Тамбовского края, поэтому прочной христианской традиции здесь не существовало.
Не по названию только явился епископ Питирим преемником апостолов: с ревностью «яже о Христе» взялся он возделывать духовную ниву. Умело, в мире и кротости, святитель врачевал «нехристианские злые прозяби» и раскол. Проповедь слова Божьего, научение основам веры — положили начало пастырским трудам. Истинный отец и добрый наставник, святитель Питирим сам терпеливо учил «четью и петью невегласов» в храме и вне его.
Опыт рачительного управителя, полученный в вяземском монастыре, пришелся как нельзя кстати. Епископу Питириму удалось получить земли, леса, рыбные ловли. Доходы с полученных угодий обеспечивали нужды епархии, что помогало осуществлению замыслов святителя и развитию благотворительности (напр., выкупу полонянников). Благодаря переводу тамбовским владыкой «на селитьбу» крестьян, появились села Большая Талинка, Малая Талинка, Керша, Казыванье.
Подлинными памятниками усердного служения святителя явились Иоанно-Предтеченский Трегуляевский, Вознесенский женский монастыри и Спасо-Преображенский кафедральный собор.
Согласно документального свидетельства, 15 сентября 1688 года «построил… Предтечев монастырь в Тамбовском Ценском лесу на усть Трегуляйского ржавца преосвященный Питирим епископ Тамбовский на келейные свои деньги и питал… игумена с братьею от себя…». В скором времени, при содействии основателя, пустыни удалось приобрести угодья, так что обитель смогла обустроиться и в 1691 году братия возвела деревянную церковь, освященную святителем. В монастыре находился выкопанный епископом Питиримом святой колодец.
Одновременно с мужской, святитель, оградив деревянной стеной несколько келий при устьях речек Студенца и Гаврюшки, в 1690 году закладывает женскую обитель. Первой настоятельницей предание указывает родную сестру святителя Питирима монахиню Екатерину.
В 1694 году, по благословению Патриарха Адриана, святитель Питирим начал возведение кафедрального собора. Работы велись под руководством и при участии самого святителя. Окончания же строительства тамбовскому епископу не суждено было видеть. Кончина святителя последовала 28 июля 1697 года (по др. источникам — 1698) в день празднования чтимой им Смоленской иконы Богоматери. По словам одной рукописи, «вся паства от высокородного до худородного, от богатого до бедного, от господина до раба долго, долго скорбела и плакала о святителе Питириме, как об отце родном». «Подвигом добрым я подвизался, течение совершил, веру сохранил; а теперь готовится мне венец правды», — эти слова апостола Павла (2 Тим. 4;7-8) мог бы сказать о себе великий тамбовский архипастырь, «честное и многотрудное тело» которого, согласно его воле, было погребено в южном приделе кафедрального собора.
Память о благочестивом тамбовском епископе жила в его пастве. Гробница святителя стала местом стечения богомольцев, приходивших на поклонение в кафедральный собор, чтобы отслужить панихиду об усопшем архипастыре. Случаи чудес по молитвам святителя Питирима передавались из уст в уста. С 30-х гг. 19 века в кафедральном соборе велась особая книга записи чудес, количество которых только согласно записям к началу 20 века простиралось до нескольких сотен.
Официальная канонизация святителя Питирима Тамбовского состоялась в 1914 году. Торжества проходили 25-29 июля и собрали тысячи паломников из разных мест Российской Империи.
Ныне мощи святителя Питирима находятся в Спасо-Преображенском кафедральном соборе города Тамбова.