Phan Khắc Thận sinh năm Mậu Ngọ (1798) tại làng Tư Cung, nay thuộc xã Tịnh Khê, huyện Sơn Tịnh, tỉnh Quảng Ngãi. Sau, ông theo cha là Phan Văn Kháng đến ở tại làng Châu Me, nay thuộc xã Bình Châu, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi.

Đời vua Minh Mạng, ông thi đỗ tú tài khoa Ất Dậu (1825) và khoa Mậu Tý (1828). Năm Canh Dần (1830), ông vượt qua kỳ ứng hạch, và được bổ làm giáo chức ở Bảo An (nay thuộc tỉnh Bến Tre?) và Tân An (nay thuộc tỉnh Long An).

Năm Thiệu Trị thứ nhất (Tân Sửu [1841]), Phan Khắc Thận nhận chức quyền nhiếp phủ Tây Ninh.

Lúc bây giờ ở đây có một thổ mục tên Đinh Thân, tự xưng là Thiên thương tướng, tụ họp được hơn 700 người miền núi, người Chăm đột kích vào đồn phủ Tây Ninh. Phan Khắc Thận chỉ huy quân chống cự, bắn chết được Đinh Thân, làm tan rã cuộc nổi dậy. Việc báo về kinh, nhà vua ban chiếu thư khen ngợi, thưởng cho một cấp quân công. Ít lâu sau, ông được bổ làm Giám sát ngự sử đạo kinh kỳ và thự Công khoa Chưởng ấn cấp sự trung.

Năm Giáp Thìn (1844), ông được cử làm thự Án sát sứ ở hai tỉnh là Bình Định và Vĩnh Long. Cùng năm ấy, đến kỳ xét công được dự hạng ưu, Phan Khắc Thận được đổi đi làm Tuyên phủ sứ Tây Ninh, rồi chuyển sang làm Bố chính sứ ở Nam Định, Hà Nội [1].

Năm Nhâm Tý (1852) đời vua Tự Đức, ông được thăng quyền Chưởng ấn tuần phủ Lạng Bình. Gặp lúc quân phỉ ở Trung Quốc tràn vào cướp phá thôn Đông Long thuộc trấn Lạng Sơn, ông cầm quân đánh đuổi được, được thưởng thêm một cấp quân công.

Năm năm sau (Đinh Tỵ [1857]), ông được triệu về Huế giữ chức Tả tham tri bộ Hộ.

Tháng Bảy năm Mậu Ngọ (ngày 31 tháng 8 năm 1858), thực dân Pháp nổ súng tấn công Đà Nẵng. Phan Khắc Thận được cử mang quân vào chống cự. Đánh nhau ở sông Cẩm Lệ (Đà Nẵng) bị thua, ông bị giáng ba cấp nhưng được lưu chức.

Năm Kỷ Mùi (ngày 17 tháng 2 năm 1859), quân Pháp đánh thành Gia Định. Trước tình thế rối ren ở Nam Kỳ, nhà vua cử Phan Khắc Thận vào lãnh chức Tuần phủ An Giang. Gặp lúc người dân Khmer ở Ba Xuyên nổi dậy chống đối, ông đem quân đến trấn áp được, được thưởng quân công, thăng làm thự Tổng đốc An Hà.

Tháng 3 năm Tân Dậu (1861), quân Pháp tổ chức tấn công Định Tường, đến ngày 14 tháng 4 thì thành này lại thất thủ. Phan Khắc Thận, Trương Văn Uyển được sung làm Biên phòng tiễu quân vụ có trách nhiệm phối hợp với Khâm phái quân vụ Nguyễn Túc Trưng, Đỗ Thúc Tịnh chiêu mộ nghĩa dõng, xây dựng đồn lũy, sửa sang khí giới...để chuẩn bị cho cuộc chiến chống quân xâm lược.

Tháng 5, một thổ mục người Khmer đánh phá bảo An Tập thuộc tỉnh An Giang, làm khoảng trăm nghĩa dõng tử trận, Phan Khắc Thận bị giáng lưu hai cấp.

Ngày 5 tháng 6 năm 1862, triều đình Huế ký Hòa ước Nhâm Tuất với Pháp. Đến khoảng giữa năm 1863, thì một người Chân Lạp tên là A Soa (hay Acha Xoa, sử Nguyễn ghi là Ong Bướm) đến vùng biên giới thuộc Châu Đốc-Hà Tiên, nơi có đông đồng bào Khmer sinh sống, lập lực lượng kháng pháp. Khi ấy Thủ Khoa Huân, sau khi thua trận ở Bình Cách, cũng rút quân vào Thất Sơn để hiệp với lực lượng của A Soa.

Bị thúc ép của cả hai phía là thực dân Pháp và triều đình Huế, tháng 7 năm 1864, Phan Khắc Thận buộc phải giao nộp Thủ Khoa Huân cho Pháp.

Tháng Tư năm Bính Dần (1866), vì không bắt được A Soa, ông bị nhà vua bãi chức, nhưng vẫn phải ở lại lập công chuộc tội. Theo sử liệu thì vào tháng 8 năm đó, ông bắt được A Soa và giao cho quân Pháp. Vì vậy, đến tháng 6 năm Đinh Mão (1867), ông được triều Nguyễn cho khởi phục làm Thượng thư bộ binh lãnh Tuần phủ Nam Ngãi.

Tháng Bảy năm Mậu Thìn (1868), ông làm Thảo nghịch Hữu tướng quân, lãnh việc tiễu trừ quân phỉ Trung Quốc do Ngô Côn cầm đầu đang quấy nhiễu vùng biên giới Thái Nguyên, Lạng Sơn.

Tháng 11 năm ấy, ông mất tại quân thứ, thọ 70 tuổi. Thi hài ông sau đó được chuyển về chôn cất tại quê nhà.

Bình xét công lao, vua Tự Đức truy tặng ông hàm Vinh lộc Đại phu, Hiệp biện Đại học sĩ, thụy là Văn Ý.