Родился в Санкт-Петербурге 29 октября (9 ноября) 1715 года, через 17 дней после своего тёзки и племянника — великого князя Петра Алексеевича (будущего Петра II). В честь царевича говорились «похвальные слова» (Феофан Прокопович), ему посвящались книги (Пётр Шафиров, «Рассуждение» о причинах к началу русско-шведской войны).
Манифестом 3 (14) февраля 1718 года провозглашён наследником престола после отстранения Алексея Петровича; царевичу была принесена особая присяга (которую отказывались приносить, несмотря на угрозы казни и анафемы, некоторые сторонники старых порядков). Присягу брату принёс в том числе и находившийся под судом Алексей. Пётр возлагал большие надежды на Петра Петровича как продолжателя своего дела. В переписке Петра с Екатериной родители называли его «Шишечка». В этот период в выходных данных книг указывалось: «напечатано при наследственном благороднейшем государе-царевиче Петре Петровиче».
Осенью 1718 г. трехлетний Пётр ещё не говорил и не ходил. Скончался в Санкт-Петербурге 25 апреля (6 мая) 1719 года. На его похоронах Степан Лопухин (муж Натальи Лопухиной) слишком веселился, за что был сослан с семьёй в Сибирь.
Первоначально 26 апреля (7 мая) 1719 был погребён в церкви Воскресения Лазаря Александро-Невского монастыря. 24 октября (4 ноября) 1723 года перезахоронен в Благовещенской церкви.
После кончины малолетнего наследника порядок престолонаследия в России стал неопределённым (единственным, кроме государя, мужским представителем дома Романовых остался его внук Пётр Алексеевич, отец которого был от престолонаследия отстранён, а затем осуждён на смерть). В 1722 году Пётр издал закон о праве императора самому назначать себе наследника, но этим законом не воспользовался.
В 1732 г. драгунский солдат Л. Стародубцев объявил себя (на реке Бузулуке) царевичем Петром, за что поплатился жизнью.
