Ông sinh năm 1754 (lúc đó bố ông là Phan Huy Cận đậu Tiến sĩ) tại làng Thu Hoạch, huyện Thiên Lộc, phủ Đức Quang, trấn Nghệ An (nay là xã Thạch Châu, huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh). Ông là con trai thứ ba của Khuê Phong hầu Phan Huy Cận. Ông thuở còn trẻ tên là Khuông, lớn lên đi thi đổi là Uông, tự Trọng Dương, hiệu Nhã Hiên, đến sau khi đỗ thi hương, lại đổi tên là Ôn, tự Hoà Phủ, hiệu Chỉ An.
Năm 1774, ông đỗ Giải nguyên trường thi Hương trấn Nghệ An.
Năm 1779, ông đỗ Tiến sĩ đệ tam giáp khoa Kỷ Hợi, năm Cảnh Hưng đời vua Lê Hiển Tông. Ông là vị Tiến sĩ được khắc tên mới đây nhất trong tấm bia cuối cùng ở Văn Miếu- Quốc tử giám Hà Nội. Tấm bia được dựng vào ngày tốt tháng 11 năm Canh Tý, niên hiệu Cảnh Hưng thứ 41 (1780).
Sau khi đỗ đại khoa, ông làm quan cho nhà Lê đến chức Đốc đồng Sơn Tây và Thái Nguyên rồi thăng Hàn lâm Thị chế tước Mỹ Xuyên bá.
Năm 1786, ông mất khi mới 32 tuổi. Khi mất, ông được vua tặng chức Hàn lâm thị giảng tước Mỹ Xuyên hầu.
