Пётр Шмельков родился 24 июня (12 по старому стилю) 1819 года в Оренбурге в крепостной крестьянской семье, которая позже переехала в Ковровский уезд Владимирской губернии. В 1843 году граф Зубов Валериан Николаевич (внук А.В. Суворова), владеющий крепостным Петром Шмельковым, дал ему вольную.
В 1830-х годах Пётр учился в Москве иконописи, а позже в Московских художественных классах. В 1845 году за исполненную живописную работу «Чтение Евангелия в сельской церкви» он удостоился звания свободного художника и был оставлен в учебном заведении для дальнейшей учёбы. Но, в 1848 году Пётр ушёл из уже переименованных «Московских художественных классов» в «Московское училище живописи, ваяния и зодчества» и стал служить в Кадетском корпусе, в котором занимался преподавательской деятельностью всю жизнь, параллельно давая частные уроки рисунка.
В конце 1850-х годов Пётр начал сотрудничать с журналами «Развлечение» и «Зритель», создавая для них сатирическую графику и карикатуры. Испытав большое влияние П.А. Федотова, Пётр подражал ему в ранних акварелях: «Сборы в театр» (1850), «Толкучий рынок» (1850-е). Его композиции завоевали значительную популярность среди художников и журналистов, и в 1850-е годы его друг, беллетрист А.М. Голицынский, написал даже цикл рассказов по сюжетной канве рисунков Шмелькова (книга Смех и слезы, изданная в 1859 с его автолитографиями). В 1861 году Пётр Михайлович стал членом комитета Московского общества любителей художеств и членом Московского художественного общества. Пётр сотрудничал в журналах «Развлечение» и «Зритель» (1861–1878), иллюстрировал книгу Голицынского «Очерки фабричной жизни» (1861). Свободный штрих, динамичные светотеневые эффекты вкупе с острым драматическим чутьем превращают многие листы Петра Шмелькова в скромные шедевры бытового жанра, то юмористически-добродушные «Купец у фотографа» (1860), «Тайком от жены (У шкафчика)» (1870-е), то более мрачные и суровые «У родильного приюта) (1860-е), «Нищая (в ресторанчике)» (1860-е) «Ночной пожар) (1870-е). В 1890 и 1891 годах вышли в тираж два выпуска фототипического альбома с рисунками и эскизами Шмелькова.
В 1861 году Пётр Шмельков стал активным участником художественных выставок Московского общества любителей художеств.
Работы Петра Шмелькова хранятся в Государственной Третьяковской галерее и Государственном Русском музее.
Пётр Шмельков скончался 21 октября (9 по старому стилю) 1890 года в Москве.
