Пётр Шамшин родился 22 января (10 по старому стилю) 1811 года в Санкт-Петербурге, в семье академика портретной живописи Михаила Никитича Шамшина (1777–1846), преподававшего рисование в классах Императорской Академии Художеств (ИАХ). Первые навыки рисования Пётр получил у своего отца, который, как отмечают современники, был очень строгим преподавателем.
В 1821 году Пётр был определён в воспитанники Императорской Академии Художеств и состоял в ней в числе учеников в классе русского религиозного, исторического и портретного живописца, академика, профессора Петра Васильевича Басина. В 1833 году Пётр окончил академический курс обучения с Малой золотой медалью, полученной за картину «Гектор в ложнице Елены упрекает Париса в бездействии» и присвоением званием художника XIV класса. За программную картину «Избиение детей Ниобы» ему была присуждена Большая золотая медаль (1836), предоставлявшая право поездки в Европу для совершенствования в живописи.
Осенью 1836 года по Высочайшему повелению Пётр был направлен пенсионером в Италию, где прожил семь лет. В Италии он много и напряжённо работал и в 1840 году прислал в Санкт-Петербург свою картину «Пляшущая транстеверинка», благосклонно встреченную критиками. В 1843 году Пётр был вызван в Санкт-Петербург и определён учителем рисования в классах Императорской Академии. За картины «Агарь в пустыне» и «Петр Великий в бурю на Лахте» он получил звание академика (1844). За большой образ «Воскресение Христово» для домовой церкви Академии художеств Шамшин получил в 1853 году учёную степень профессора живописи. С 1850-х годов и до конца жизни Пётр Михайлович большую часть своего творчества посвятил церковной живописи. Его иконостасы и настенные росписи украшали Исаакиевский собор в Петербурге и храм Христа Спасителя в Москве (живопись на стенах придела святого Николая Чудотворца и большая картина «Сретение Господне»), церковь апостолов Петра и Павла при Павловском женском институте, а также многие другие церкви Санкт-Петербурга, его пригородов и других городов. В Исаакиевском соборе в период 1850–1851 годов Петром были выполнены три росписи в аттике: «Иисус Навин входит в землю обетованную», «Аарон, приносящий жертву Богу» и «Руно Гедеоново». На своде, примыкающем к главному иконостасу, он также исполнил несколько росписей: две группы «Ангелы, держащие свитки с заповедями», над большими северными и южными дверями – группы «Ангелы, держащие святой потир» и «Ангелы, держащие святое Евангелие», на своде между северо-западными пилонами – роспись «Взятие пророка Илии на небо». Другие известные образа и стенные картины Петра Михайловича находятся в церкви святого Мирония лейб-егерского полка, Благовещенской церкви лейб-гвардии конного полка (на площади Труда в Санкт–Петербурге), в церквях Павловского института, Санкт–Петербургского университета, инженерного училища, Главного почтамта («Видение святого Константина»), а также в гатчинском городском соборе, в Сионском соборе в Тифлисе, в Ивангородской церкви в Нарве, собора Уяздовского госпиталя в Варшаве, церкви русского посольства в Афинах и в некоторых других. В 1870-е годы им была расписана зала этрурских ваз в Эрмитаже. Пётр Шамшин писал и на темы русской истории: «Пётр Великий спасает утопающих на Лахте» (1844), «Призвание Михаила Фёдоровича на царство» (1876), «Вступление Иоанна IV в Казань» (1888). Также он много работал в портретной живописи. Им были исполнены «Портрет Е.Ф. Толстой» (1845), «Автопортрет» (1867), «Портрет Николая Павловича Кривцова в детстве» (1842) и другие. В 1859 году, после принятия внесённых в Устав Императорской Академии изменении, Пётр Михайлович был переведён из учителей в адъюнкт–профессора, в 1863 году – произведён в профессора 1-й степени, а в 1883 году – назначен ректором живописи и скульптуры Императорской Академии. Среди его учеников были: Василий Суриков, Виктор Бобров, Михаил Нестеров, исторические живописцы Василий Савинский, Исаак Аскназий (1856–1902).
Пётр Шамшин экспонировал на выставке в 1844 году картину «Пётр Великий спасает утопающих на Лахте», а в 1876 году – «Призвание Михаила Фёдоровича на царство».
Произведения Петра Шамшина хранятся в Государственном Русском музее, Государственной Третьяковской галерее, Одесского художественного музея, Николаевского художественного музея им. Верещагина, а также находятся в Музее Академии художеств, музеях Ярославля и Симферополя.
Пётр Шамшин скончался 18 февраля (6 по старому стилю) 1895 года в Санкт- Петербурге. Похоронен на Смоленском православном кладбище, могила не сохранилась.
