Bár több életrajza szerint Peter Seamus O’Toole 1932. augusztus 2-án az írországi Connemarában született, a valóságban a kisfiú az angliai iparvárosban, Leedsben látta meg a napvilágot. A „ködösítés” az ír gyökereire oly büszke O’Toole műve, aki több életrajzában is Connemarát adta meg, a születési anyakönyvéből azonban egyértelműen kiderül az igazság. A színész később azt is írta, hogy van egy ír születési anyakönyve is egy másik dátummal, de az sosem került elő.

Peter O'Toole édesanyja skót volt és nővérként dolgozott, édesapja született Írországban, ő tetőfedőként dolgozott, fiatalon profi futballista volt, de a keresetét elsősorban bukmékerként szerezte. Peter mindig elkísérte apját munkája során, ebből jól ismerte a sportmérkőzések világát – ennek hatására sportújságírónak készült. Újságíró gyakornok lett, majd riporter, de

17 éves korában belefogott az amatőr színjátszásba, ami megváltoztatta az életét.

Igaz, a színészi pályafutás előtt volt egy apróbb közjáték, úgy hívták, a II. világháború. O’Toole a Királyi haditengerészetnél szolgált két éven át rádiósként különböző hadihajókon. Csak ezután nyert felvételt ösztöndíjjal a világhírű Royal Academy of Dramatic Arts-ra, ahol olyan pályatársakkal járt egy évfolyamba, mint Albert Finney, Alan Bates vagy Richard Harris.

Eleinte csak színházban játszott és hamar felfigyeltek rá, így jobbnál jobb darabokban lépett fel. Első filmszerepét csak 1960-ban kapta, ez volt A nap, amikor kirabolták az Angol Bankot című krimi, de két évre rá már világhírű volt, hála az akkor igazi szuperprodukciónak számító Arábiai Lawrence (1962) című látványos történelmi drámának. Amikor Peter O'Toole a film forgatásán először próbált tevén lovagolni, vér szivárgott a farmerjából.

Ez egy nagyon kényes ír hátsó

– figyelmeztette oktatóját óvatosan utalva az aranyerére. Végül úgy sajátította el a tevegelés technikáját, hogy a nyereg alá szivacsgumit tett, hogy enyhítse a súrlódást – ezt a gyakorlati újítást a sivatagi forgatás során statisztaként dolgozó beduinok gyorsan átvették. O'Toole-t a beduinok "ab al-'Isfanjah"-nak (a szivacs atyja) becézték.

Peter O'Toole többször megsérült a 14 hónapig tartó forgatáson – ami  hosszabb volt, mint a főhős T.E. Lawrence filmbeli hadjárata. Harmadfokú égési sérüléseket szenvedett, mindkét bokája kificamodott, csípőjében és combjában is elszakadt egy szalag, eltört a hüvelykujja, elmozdult a gerince, eltört a koponyája, megharapta egy teve, kificamodott a nyaka, elszakadt egy lágyékizma és kétszer is agyrázkódást kapott. Egyik sem az ő hibája volt. Az már igen, hogy súlyosan megsérült a keze, amikor részegen beütötte egy lakókocsi ablakát. Annál a jelenetnél, amikor először támadnak meg egy vonatot, a bal hüvelykujján merevítő kötés látható, feltehetően ennek az esetnek köszönhetően.

Erős alkoholizmusa miatt 1976-ban átesett egy komoly hasnyálmirigy műtéten – a műtét közben derült ki, hogy valójában az ivástól teljesen függetlenül gyomorrákja van, de sikeresen felgyógyult, 1978-ban pedig egy vérképző betegségből fakadóan majdnem meg is halt. Erős szervezetének hála végül az egészsége helyreállt és ő is munkába állt újra.

2003-ban hét eredménytelen Oscar-díj jelölés után - ami színészként rekord - neki ítélték az életmű Oscar-díjat, de az elején nem akarta elfogadni, ugyanis félt attól, hogy elfogadásával beismeri és megpecsételi igen hosszú színészi pályafutásának végét. Szép levelet írt az Akadémiának, amiben azt is kifejtette, hogy még szeretné „azt a nyavalyást” – értsd, a szobrot – közvetlen elnyerni, az Akadémiától pedig azt válaszolták, hogy az életműdíjat már megítélték, függetlenül attól, átveszi-e vagy nem. A díj elfogadása után is hosszú éveken át maradt a köztudatban, de 2009-2010-től már főleg csak hazájában forgatott, leginkább brit televíziós alkotásokban vett részt.

Azon mindössze hat színművész közé tartozik, akiket ugyanazon karakter eljátszásáért kétszer is jelöltek Oscar-díjra. Elsőként Becketben (1964) játszotta II. Henriket, majd Az oroszlán télenben (1968). A másik öt színész, akik teljesítették ezt a kunsztot Bing Crosby volt O'Malley atyaként, Al Pacino Michael Corleoneként, Paul Newman Fast Eddie Felsonként, Cate Blanchett Erzsébet királynőként, illetve Sylvester Stallone Rocky Balboaként. O’Toole ezek közül az egyetlen, aki másodszorra nem folytatásban, hanem az elsőtől teljesen független produkcióban alakította ugyanazt a karaktert.

Az életmű Oscaron túl kapott még három Golden Globe-ot, egy BAFTA-díjat – természetesen az Arábiai Lawrence-ért (1962) -, egy Emmy-díjat, négy David di Donatello-díjat és még elképesztően sok más elismerést.

1987-ben felajánlották neki a lovagi címet, ám politikai és személyes okokból is visszautasította. Szeretett politizálni, a koreai és a vietnámi háború heves ellenzői közé tartozott.

Annak ellenére, hogy tinédzserként elvesztette katolikus hitét, egy interjúban, amit a New York Times-nak adott azt mondta: "Senki nem veheti el tőlem Jézust." A későbbiekben pedig egy másik interjúban kijelentette, hogy: "Én egy nyugdíjas keresztény vagyok."

Feleségét, Siân Phillips walesi színésznőt a Becket (1964) forgatásán ismerte meg, majd további három filmben a Viszlát, Mr. Chips!-ben (1969), a Murphy háborújában (1971) és a A mi erdőnk aljánban (1971) játszottak együtt. Kapcsolatukból két kislány, Kate és Patricia született, de házasságukat később beárnyékolta O’Toole alkoholizmusa és féltékenysége és Phillips később elhagyta egy nála fiatalabb férfi kedvéért. A színész élettársa később Karen Brown modell lett, aki egy fiút szült neki, Lorcan O'Toole-t.

2013. december 14-én hosszas betegség után londoni lakásában hunyt el 81 éves korában – a halál oka a kiújuló gyomorrák volt. Testét talán kissé bizarr módon egy vesszőkosárban hamvasztották el -  talán A vesszőből font ember című, 1973-as klasszikus brit horrorra utalva -, hamvait pedig Írországban szórták szét, hiszen ekkora már az év jelentős részét Galway-i házában töltötte.