Сын Гольштейн-Готторпского герцога Карла Фридриха и дочери императора Петра I Анны Петровны, он сначала воспитывался как наследник шведского престола. Мать мальчика, названного при рождении Карл-Петер-Ульрих, умерла вскоре после его появления на свет, а в 11 лет он потерял и отца.
Петр рос нервным и впечатлительным мальчиком, любил искусство и обожал все военное – именно с военными делами были связаны все его честолюбивые помыслы. Ставшая в 1741 году императрицей, Елизавета Петровна хотела закрепить трон по линии своего отца. В 1742 году она вызвала своего племянника в Петербург, крестила под именем Петра Федоровича и объявила наследником российского престола.
В 1745 году его женили на принцессе Анхальт-Цербстской, будущей императрице Екатерине II, которая родила ему сына Павла (будущий император Павел I). За годы, проведенные в России, Петр никогда не делал попыток лучше узнать страну, ее народ и историю, он пренебрегал русскими обычаями, вел себя неподобающим образом во время церковной службы, не соблюдал посты и другие обряды.
После смерти императрицы Елизаветы Петровны (25 декабря 1761) 5 января 1762 года Петр III был провозглашен императором. Вступив на престол, император развил бешеную деятельность, основной целью которой было доказать, что он способен управлять страной лучше покойной тетки. Однако, какой-либо определенной политической программы у него не было.
За шесть месяцев царствования он успел издать значительное число законодательных актов, среди которых необходимо отметить Манифест о вольности дворянства и указ о секуляризации церковной земельной собственности. Несомненно, либеральным шагом со стороны Петра была ликвидация Тайной розыскных дел канцелярии.
Политику императора отличала веротерпимость, он прекратил преследование старообрядцев и собирался осуществить реформу Русской православной церкви. В армии же он начал последовательно вводить прусские порядки, что не прибавляло ему популярности.
Положение Петра III в обществе было шатким, но также непрочным было положение Екатерины при дворе. Петр III открыто говорил, что собирается развестись с супругой, чтобы жениться на своей фаворитке Елизавете Воронцовой.
После полугодового царствования Петр III был свергнут в результате дворцового переворота, возведшего на престол его жену, Екатерину II, и вскоре лишился жизни. Обстоятельства смерти Петра III до сих пор окончательно не выяснены.
Личность и деятельность Петра III долгое время расценивались историками единодушно отрицательно, однако затем появился и более взвешенный подход, отмечающий ряд государственных заслуг императора.
Во времена правления Екатерины за Петра Федоровича выдавали себя многие самозванцы (зафиксировано около сорока случаев), самым известным из которых был Емельян Пугачев.