Родился 7 мая 1840 г. в поселке при Камско-Воткинском железоделательном заводе (ныне г. Воткинск, Удмуртия). Его отец, Илья Петрович Чайковский (1795-1880), был горным инженером, начальником завода. Мать - Александра Андреевна (в девичестве Ассиер), была дочерью высокопоставленного таможенного чиновника, скончалась от холеры в 1854 г.
В 1849 г. семья Чайковского уехала в Алапаевск (ныне в Свердловской области), годом позднее Петр вместе с матерью переселился в Санкт-Петербург, где поступил в Императорское училище правоведения. Во время учебы Чайковский начал серьезно заниматься музыкой. В 1859 г. окончил училище и, получив чин титулярного советника, начал работать в Министерстве юстиции.
В 1861 г. Петр Чайковский поступил в Музыкальные классы Русского музыкального общества (РМО), на базе которых в 1862 г. была создана Петербургская консерватория (ныне Санкт-Петербургская государственная консерватория им. Н. А. Римского-Корсакова). Оставив службу в министерстве, Чайковский стал одним из первых студентов консерватории по классу композиции, его учителями были Николай Заремба и Антон Рубинштейн. Окончил курс в 1865 г. с большой серебряной медалью, на выпускном экзамене исполнил кантату собственного сочинения "К радости" (на стихи Фридриха Шиллера).
С января 1866 г. преподавал в московском отделении РМО. В сентябре того же года на базе этого учебного заведения была открыта Московская консерватория (ныне Московская государственная консерватория им. П. И. Чайковского), Чайковский был ее преподавателем до 1878 г. В этот период композитор активно занимался педагогической деятельностью, работал над переводами зарубежных книг по музыкальной теории, издал собственный учебник по гармонии. Чайковский совмещал преподавание с творческой деятельностью: в этот период им были написаны оперы "Воевода" и "Опричник", балет "Лебединое озеро", музыка к спектаклю "Снегурочка" по пьесе Александра Островского, четыре симфонии и др. В 1871-1876 гг. композитор также выступал в печати в роли музыкального критика.
В 1878 г. Петр Чайковский уволился из Московской консерватории, в последующие годы сконцентрировался на собственном творчестве, много путешествовал по Европе, до 1885 г. жил в основном за рубежом. Значительную материальную поддержку композитору в 1877-1890 гг. оказывала русская меценатка Надежда фон Мекк, с которой он вел обширную дружескую переписку.
В 1885 г. Чайковский был избран одним из директоров Московского отделения РМО. В том же году композитор переехал в село Майданово, расположенное рядом с подмосковным городом Клином. Последние годы жизни композитор провел, в основном, в Клину и его окрестностях (села Майданово, Фроловское). Здесь он создал балеты "Спящая красавица" и "Щелкунчик", оперы "Пиковая дама", "Иоланта", симфонию "Манфред" и другие известные произведения.
Зимой 1887-1888 гг. Чайковский совершил первую зарубежную концертную поездку, в ходе которой дирижировал исполнением своих произведений. Вторая гастрольная поездка композитора по Европе состоялась в 1889 г. Весной 1891 г. Чайковский выступал с концертами в США, дирижировал Нью-Йоркским симфоническим оркестром на открытии Карнеги-холла. Гастроли принесли композитору международную славу: в 1892 г. Чайковский был избран членом-корреспондентом парижской Академии изящных искусств, в 1893 г. ему было присуждено звание почетного доктора Кембриджского университета.
Осенью 1893 г., находясь в Санкт-Петербурге, Петр Чайковский заразился холерой. После непродолжительной болезни 6 ноября (25 октября по старому стилю) 1893 г. композитор скончался на 53-м году жизни. Похоронен в Санкт-Петербурге на кладбище Александро-Невской лавры.
Петр Чайковский создал более 80 произведений в разнообразных музыкальных жанрах. Творческое наследие композитора включает в себя десять опер ("Евгений Онегин", "Орлеанская дева", "Пиковая дама", "Иоланта" и др.), три балета ("Лебединое озеро", "Спящая красавица", "Щелкунчик"), семь симфоний (шесть пронумерованных и "Манфред"), четыре сюиты, концерты (в т. ч. Концерт для фортепиано с оркестром №1), хоровую музыку, более ста романсов и др. Среди его наиболее известных оркестровых произведений - увертюра-фантазия "Ромео и Джульетта", "Славянский марш", фантазия "Франческа да Римини", увертюра "1812 год" и др.