Пётр родился в советской столице, в актёрской семье.
Всё детство Пётр провёл на Алтае. Увлекался рисованием, хотел стать художником. Восьмиклассником переехал с семьёй в Москву. В 1997 году, окончив 9 класс, поступил в Московское театральное художественно-техническое училище (МТХТУ), по окончании которого планировал поступать в МГХПУ, но после смерти отца изменил своё решение и покинул училище после второго курса обучения.
В 1999 году поступил на актёрский факультет Высшего театрального училища имени Б. В. Щукина. В 2003 году окончил это училище, переименованное к тому времени в Театральный институт имени Б. В. Щукина. Сыграл в дипломном спектакле «Прекрасные люди». В сентябре 2003 года спектакль «Прекрасные люди» получил приз газеты «Московский комсомолец» как лучший спектакль сезона в номинации «Начинающие».
После окончания театрального института служил в Московском драматическом театре имени К. С. Станиславского.
Первой главной ролью в кино стала роль в художественном фильме «101 километр».
Широкую популярность ему принесла роль в телесериале «Клуб», ставшем самым успешным и рейтинговым проектом за всю историю телеканала «MTV Россия». После третьего сезона Пётр покинул проект и начал подготовку к съёмкам в фильме режиссёра Фёдора Бондарчука «Обитаемый остров». Съёмки проходили в течение десяти месяцев.
В апреле 2008 года начались съёмки — российского фильма «Россия 88». Фильм получил немало наград: специальный приз «Событие года» на Национальной премии кинокритики и кинопрессы «Белый слон», специальный приз жюри и приз Гильдии киноведов и кинокритиков на фестивале «Дух огня».
Летом 2008 года Пётр принял участие в съёмках фильма «Фобос .Клуб страха», съёмки которого проходили в Эстонии.
В 2009 году Петра пригласили сыграть главную роль в фильме «ПираМММида» .
В 2020 году вышел фильм «Аванпост», где Фёдоров исполнил одну из главных ролей.
В ноябре 2020 года вышел сериал «Перевал Дятлова» с участием Петра.
Одно время он встречался с моделью Анастасией Ивановой.
В 2015 году Фёдоров приобрел в Подмосковье участок, где планировал построить загородный коттедж. Но к 2017 году длительный роман завершился расставанием.
В 2018 его избранницей стала модель Анна Соколова.