Родился 13 июля 1932 г. в Москве.

В начале 1950-х гг. учился в Школе-студии им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре СССР им. М. Горького (ныне Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном театре им. А. П. Чехова). Был отчислен со второго курса "за хулиганство".
В 1955 г. Петр Фоменко заочно окончил филологический факультет Московского государственного педагогического института им. В. И. Ленина (ныне Московский педагогический государственный университет). В 1961 г. получил диплом режиссерского факультета Государственного института театрального искусства им. А. В. Луначарского (ныне Российский институт театрального искусства - ГИТИС).

Работа в театре
Петр Фоменко дебютировал в качестве театрального режиссера в 1958 г., поставив в Московском драматическом театре на Спартаковской площади (ныне Московский драматический театр на Малой Бронной) спектакль "Беспокойное наследство" по пьесе Константина Финна.
В 1960-х гг. сотрудничал с различными московскими театрами. В 1964 г. в Центральном детском театре (ныне Российский академический молодежный театр) осуществил постановку "Король Матиуш Первый" по произведению Януша Корчака. В 1966 г. в Московском академическом театре им. Вл. Маяковского инсценировал пьесу Александра Сухово-Кобылина "Смерть Тарелкина", в 1967 г. в Театре на Таганке - пьесу Петера Вайса "Дознание". В 1968 г. в Московском драматическом театре на Малой Бронной поставил спектакль "Как вам это понравится" по комедии Уильяма Шекспира.
В начале 1970-х гг. Петр Фоменко выпустил в Тбилисском русском драматическом театре им. А. С. Грибоедова постановки "Свой остров" по пьесе Раймонда Каугвера и "Дорога цветов" по произведению Валентина Катаева.
В 1972-1976 гг. был режиссером, в 1977-1981 гг. - главным режиссером Ленинградского государственного театра комедии (ныне Санкт-Петербургский академический театр комедии им. Н. П. Акимова). Поставил спектакли "Троянской войны не будет" по пьесе Жана Жироду, "Старый Новый год" по комедии Михаила Рощина, "Мизантроп" по произведению Мольера, "Лес" по пьесе Александра Островского, "Измена" по произведению Леонида Зорина и др.
В 1985 г. в Московском академическом театре им. Вл. Маяковского инсценировал комедию Льва Толстого "Плоды просвещения".
В 1988-1999 гг. Петр Фоменко ставил спектакли в Государственном академическом театре им. Евг. Вахтангова. В их числе: "Дело" по драме Александра Сухово-Кобылина, "Без вины виноватые" по пьесе Александра Островского, "Пиковая дама" по произведению Александра Пушкина, "Чудо святого Антония" по пьесе Мориса Метерлинка.
В 1990 г. в Государственном академическом театре им. Моссовета инсценировал пьесу Альбера Камю "Калигула", в 1994 г. в театре "Сатирикон" - комедию Фернана Кроммелинка "Великолепный рогоносец".
В июле 1993 г. указом мэра Москвы Юрия Лужкова в столице был создан театр "Мастерская Петра Фоменко". Основу труппы составили выпускники актерско-режиссерского курса Фоменко в ГИТИСе (преподавал в этом вузе в 1982-2004 гг., в 1992 г. стал его профессором). Первоначально постановки "Мастерской Петра Фоменко" шли на арендованных площадках, с 2000 по 2007 г. - в реконструированном здании бывшего кинотеатра "Киев" (Кутузовский проспект, д. 30/32), с 2008 г. по н. в. - в собственном здании театра (Кутузовский проспект, д. 30). Петр Фоменко, в 1993-2012 гг. являвшийся художественным руководителем "Мастерской", поставил в этом театре более 15 спектаклей. Среди них: "Таня-Таня" по пьесе Ольги Мухиной, "Одна абсолютно счастливая деревня" по повести Бориса Вахтина, "Семейное счастие" и "Война и мир. Начало романа. Сцены" по мотивам прозы Льва Толстого, "Бесприданница" по пьесе Александра Островского, "Безумная из Шайо" по произведению Жана Жироду, "Три сестры" по пьесе Антона Чехова, "Триптих" по произведениям Александра Пушкина.
Работа в кино
Петр Фоменко был режиссером более 15 фильмов-спектаклей. В их числе: "Семейное счастие" (1971) и "Детство. Отрочество. Юность" (1973) по мотивам произведений Льва Толстого, "Король Матиуш Первый" по мотивам сказки Януша Корчака (1976), "Этот милый старый дом" по пьесе Алексея Арбузова (1983), "Повести Белкина. Выстрел" (1981), "Повести Белкина. Метель" (1984) и "Повести Белкина. Гробовщик" (1990) по произведениям Александра Пушкина.
Петр Фоменко поставил четырехсерийный телефильм "На всю оставшуюся жизнь" по повести Веры Пановой "Спутники" (1975), а также комедийные мелодрамы "Почти смешная история" (1977) и "Поездки на старом автомобиле" (1985) по сценариям Эмиля Брагинского.
В качестве актера снялся в фильме Ивана Дыховичного "Черный монах", поставленном по мотивам одноименной повести Антона Чехова (1988).

Признание
Заслуженный деятель искусств РСФСР (1987). Народный артист РФ (1993).

Петр Фоменко был награжден орденом "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2007, 2003, 1996).
Удостоен Государственной премии РФ в области литературы и искусства 1994, 1997 и 2001 гг., премии президента РФ в области литературы и искусства 2003 г.

Лауреат театральной премии "Золотая маска" в категории "Драма. Работа режиссера" (1995 - "Великолепный рогоносец", 2002 - "Война и мир. Начало романа. Сцены", 2006 - "Три сестры"), театральной премии "Хрустальная Турандот" в номинации "Лучшая режиссерская работа" (1993 - "Без вины виноватые" и "Волки и овцы", 1996 - "Пиковая дама", 2012 - "Театральный роман", посмертно).

Кончина
Петр Фоменко скончался 9 августа 2012 г. в Москве на 81-м году жизни. Похоронен на Ваганьковском кладбище.
Личные сведения
Был дважды женат. Первая супруга - художник-постановщик Лали Бадридзе. Второй женой была заслуженная артистка РСФСР Майя Тупикова. Сын - Андрюс, его мать - театровед Аудроне Гирдзияускайте.

Фильмы и книга о режиссере
Жизни и творчеству режиссера посвящены документальные фильмы "Фома. Поцелуй через стекло" (2007, режиссер Александр Авилов), "Семейное счастье Петра Фоменко" (2013, Татьяна Архипцова) и "Петр Фоменко. Начнем с того, кто кого любит" (2019, Александра Каллистова), а также книга "Петр Фоменко. Энергия заблуждения" (2014, автор Наталия Колесова).