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. Он 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, проведённые в России, Пётр никогда не делал попыток лучше узнать страну, её народ и историю, он пренебрегал русскими обычаями, вёл себя неподобающим образом во время церковной службы, не соблюдал посты и другие обряды.

После смерти императрицы Елизаветы Петровны 25 декабря 1761 года (5 января 1762 года по новому стилю) Пётр III был провозглашён 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. Пётр III открыто говорил, что собирается развестись с супругой, чтобы жениться на своей фаворитке Елизавете Воронцовой.

После полугодового царствования 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 Фёдоровича выдавали себя многие самозванцы (зафиксировано около сорока случаев), самым известным из которых был Емельян Пугачёв.