Родился 26 августа 1925 г. в гор. Бобринец (Зиновьевский округ Украинской ССР, ныне Кировоградская область Украины).
Летом 1941 г., после начала Великой Отечественной войны, был эвакуирован в Сталинград (ныне Волгоград), вместе с отцом работал разгрузчиком угля на электростанции.
С осени 1941 г. по весну 1943 г. проживал с семьей в Саратовской области, работал в колхозе.
В 1943 г. Петр Тодоровский был призван в Красную армию, стал курсантом Саратовского военно-пехотного училища (существовало в 1942-1954 гг.). С августа 1944 г. являлся командиром минометного взвода 93-го стрелкового полка 76-й стрелковой дивизии 125-го стрелкового корпуса 47-й армии 1-го Белорусского фронта. Участвовал в освобождении Варшавы и взятии Берлина. Закончил войну у г. Шенхаузен на Эльбе, был его комендантом. Награжден орденами Отечественной войны I и II степеней, медалями "За освобождение Варшавы" и "За взятие Берлина" (все - 1945). Окончил войну в звании старшего лейтенанта. В 1946-1949 гг. служил в военном гарнизоне в Костромской области. После демобилизации работал на заводе стеклотары, получил аттестат зрелости в вечерней школе.
В 1954 г. Петр Тодоровский окончил операторский факультет Всесоюзного государственного института кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Выпускник мастерской профессора Бориса Волчека.
С середины 1950-х по начало 1960-х гг. работал кинооператором. Участвовал в съемках фильмов "Молдавские напевы" (1955, режиссер Алексей Золотницкий), "Весна на Заречной улице" (1956, Феликс Миронер и Марлен Хуциев), "Два Федора" (1958, Марлен Хуциев) и др.
В 1962 г. Петр Тодоровский дебютировал в качестве кинорежиссера, вместе с Владимиром Дьяченко поставив драму "Никогда". В дальнейшем он снял более 15 фильмов. Среди них: киноповесть "Верность" (1965; приз за лучший дебют Венецианского кинофестиваля), мелодрамы "Любимая женщина механика Гаврилова" (1981) и "Военно-полевой роман" (1983), трагикомедия "По главной улице с оркестром" (1986), драмы "Интердевочка" (1989; специальный приз Токийского кинофестиваля) и "Анкор, еще анкор!" (1992; премия "Ника" 1993 г. в номинации "Лучший игровой фильм" и Гран-при кинофестиваля "Кинотавр" 1993 г.). Последней работой режиссера стала драма "Риорита" (2008). Петр Тодоровский был автором или соавтором сценариев большинства своих фильмов, к некоторым из них написал музыку.
В качестве актера снимался в драмах "Был месяц май" (1970, режиссер Марлен Хуциев), "Трясина" (1977, Григорий Чухрай), "Курсанты" (2006, Андрей Кавун; поставлена по автобиографической повести Петра Тодоровского "Вспоминай - не вспоминай").
Петр Тодоровский исполнял песни, аккомпанировал себе на семиструнной гитаре. Вместе с бардом Сергеем Никитиным записал два музыкальных альбома.
В 2000-х гг. преподавал на Высших курсах сценаристов и режиссеров.
Петр Тодоровский скончался 24 мая 2013 г. в Москве на 88-м году жизни. Похоронен на столичном Новодевичьем кладбище.
В 2015 г. состоялась премьера драмы "В далеком сорок пятом... Встречи на Эльбе", снятой по его сценарию. Режиссерами фильма стали Мира Тодоровская и Петро Алексовски.
Народный артист РСФСР (1985).
Был награжден орденами Трудового Красного Знамени, "Знак Почета" (1960), "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2005, 2000, 1995). Отмечен благодарностью президента РФ (1996).
Лауреат Государственной премии РФ в области литературы и искусства 1995 г.
Обладатель специального приза президента РФ "За выдающийся вклад в развитие российского кино" (2000), кинопремии "Ника" в почетной номинации "Честь и достоинство" (2004).
Петр Тодоровский был дважды женат. Первая супруга - заслуженная артистка РСФСР Надежда Чередниченко (1927-2019). Второй женой была продюсер Мира Тодоровская (род. 1933). Сын - режиссер Валерий Тодоровский (род. 1962).