Пётр Вильямс родился 30 апреля (17 по старому стилю) 1902 года в семье учёного-технолога Владимира Вильямса (1872–1957), сына Роберта Вильямса, американского инженера-мостовика, приглашённого на работу в 1852 году и принявшего в 1896 русское подданство.
С 1909 года Пётр посещал школу-студию Василия Мешкова. В 1918 году он поступил на медицинский факультет Московского университета. С 1919 по 1924 год Пётр учился во Вторых Государственных свободных художественных мастерских (созданы на базе МУЖВиЗ), затем – в Высших художественно–технических мастерских (ВХУТЕМАСе) у Василия Кандинского, Ильи Машкова, Константина Коровина, Давида Штеренберга.
В 1922 году Пётр принимал участие в создании экспериментального Музея живописной культуры. С 1922 по 1923 год он занимал пост директора Музея. В 1924 году Пётр вошёл в группу «Конкретивисты». В 1925 году Пётр стал одним из основателей и активных участников Общества художников-станковистов (ОСТ), которое в своём уставе провозгласило «революционную современность и ясность в выборе сюжета», «стремление к законченной картине». Помимо него, в Общество вошли также А.А. Дейнека, Ю.И. Пименов, А.Д. Гончаров, А.А. Лабас, Д.П. Штеренберг, Н.Ф. Денисовский и другие. После распада ОСТа в 1931 году, он вошёл в творческое объединение «Изобригада», члены которого выдвинули принцип «политического реализма». В 1932 году вышло постановление ЦК ВКП(б) «О перестройке литературно-художественных организаций», после чего все подобные объединения были ликвидированы, а их участники влились в единый Союз художников. В 1930-х годах Пётр сосредоточился на театрально–декорационном искусстве. Его театральных работах преобладали живописные тенденции, ярко и динамично дополнявшие сценическое действо. С 1929 года Пётр Владимирович начал работать как театральный художник. Он оформил спектакли «Реклама» М. Уоткинса (1930), «Пиквикский клуб» по Ч. Диккенсу (1934), «Тартюф» Ж.-Б. Мольера (1939), «Последние дни (Пушкин)» М.А Булгакова (1943) во МХАТ, «Травиата» Дж. Верди (1934), «Чио-Чио-Сан» Дж. Пуччини (1935) в Музыкальном театре им. В.И. Немировича-Данченко, «Ромео и Джульетта» С.С. Прокофьева в Ленинградском театре оперы и балета им. С.М. Кирова (1940), «Дон-Кихот» по М. Сервантесу в Театре им. Е.Б. Вахтангова (1941). В конце 1930-х годов его стиль изменился. На смену экспериментам конца 1920-х – начала 1930-х годов пришли классические архитектурные декорации с портальным обрамлением. С 1937 года он работал художником в Большом театре, с 1941 года – главным художником Большого театра. Им созданы костюмы и декорации к операм «Поднятая целина» И.И. Дзержинского (1937), «Иван Сусанин» М.И. Глинки (1939), «Валькирия» Р. Вагнера (1940), «Травиата» Верди, «Севильский цирюльник» Дж. Россини (обе – 1942), «Евгений Онегин» П.И. Чайковского (1944), балетам «Кавказский пленник» Б.В. Асафьева (1938), «Лебединое озеро» Чайковского (1941), Алые паруса» В.М. Юровского (1942) и другим. Трижды был награждён Государственной премией СССР: в 1943 за оформление оперы «Вильгельм Телль» Россини, в 1946 и 1947 за балеты Прокофьева «Золушка» и «Ромео и Джульетта» (все – в Большом театре). В 1944 году он был удостоен звания заслуженного деятеля искусств РСФСР. В 1946–1947 годах Пётр преподавал в Московском институте прикладного и декоративного искусства, профессор. Среди созданных им картин «Акробатка» (1926), «Человек в лодке» (1927), «Автопробег» (1930), портреты Всеволода Мейерхольда (1925), Константина Станиславского (1933), Григория Александрова (1933), Дмитрия Шостаковича (1946).
Пётр Вильямс участвовал в групповых выставках ОСТ в Москве 1925, 1926, 1927, 1928 годов и Ассоциации художников революционной России (1928). В 1930, 1932, 1934 годах он участвовал в 17-й, 18-й и 19-й Биеннале в Венеции, и во всемирных выставках в Париже (1937) и Нью-Йорке (1939).
Произведения Петра Вильямса находятся в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее, Государственном Центральном театральном музее им. А.А. Бахрушина, Музее МХАТ, Музее современной истории России, Саратовском государственном художественном музее им. А.Н. Радищева, Художественном музее Сочи и других.
Пётр Вильямс скончался 1 декабря 1947 года от последствий простуды. Похоронен на Введенском кладбище (уч. 3).
