Питер О’Тул родился в семье шотландской медсестры Констанс Джейн Элиот и Патрика Джозефа О’Тула, лудильщика, футболиста и букмекера. В некоторых источниках утверждается, что он родился в ирландском регионе Коннемара, а другие ссылаются на университетскую больницу Сент-Джеймс в английском городке Лидс. О'Тул утверждал, что он не был уверен в своем месте рождения или дате, отметив в своей автобиографии, что он принял 2 августа в качестве даты своего рождения, но имел свидетельство о рождении из каждой страны, причем в ирландском свидетельства датой рождения значился июнь. У него была старшая сестра по имени Патриция.
Он вырос в южном пригороде Ханслет. Когда ему исполнился год, его семья начала пятилетний тур по основным городам в Северной Англии. Он и его сестра были воспитаны по католической вере своего отца. О'Тул был эвакуирован из Лидса в начале Второй мировой войны и учился в католической школе в течение семи или восьми лет: средней школе Святого Иосифа, недалеко от Лидса.
Окончив школу, О'Тул получил работу в качестве стажера-журналиста и фотографа, пока его не призвали на национальную службу в Королевском флоте. Как сообщалось в радиоинтервью в 2006 году, офицер спросил его, есть ли у него что-то, что он всегда хотел сделать. Он ответил, что он всегда хотел быть поэтом или актером. Он учился в Королевской академии драматического искусства с 1952 по 1954 год на стипендию. Это произошло после того, как режиссер Эрнест Блайт отказал ему от театральной школы в Дублине, потому что он не мог говорить на ирландском языке.
О'Тул начал работать в театре, получив признание как шекспировский актер в театре «Олд Вик», прежде чем дебютировать на телевидении в 1954 году. Он сыграл солдата в эпизоде «Алого первоцвета» в 1954 году. Он работал в театре «Олд Вик» с 1956 по 1958 год, появляясь в спектаклях «Король Лир» (1956), «Офицер-вербовщик» (1956), «Майор Барбара» (1956), «Отелло» (1956) и «Раб правды» (1956). При этом он продолжал сниматься на телевидении, появляясь в небольших ролях в различных фильмах.
О'Тул получил известность в Уэст-Энде в пьесе «Длинный и короткий и высокий». Среди его коллег - Роберт Шоу и Эдвард Джадд, режиссер Линдсей Андерсон. Он повторил свое выступление для телевидения в 1959 году.
О'Тул пользовался большим спросом. По сообщениям, в то время он получил пять предложений долгосрочных контрактов, но отклонил их. Его первой ролью была небольшая роль в диснеевской версии «Похищенных» (1960). Его второй работой стали «Невинные дикари» (1960) с Энтони Куинном.
Главный прорыв О'Тула произошел в ноябре 1960 года, когда он был выбран, чтобы сыграть Т. Э. Лоуренса в фильме «Лоуренс Аравийский» (1962), после того как Альберт Финни, по сообщениям, отказался от роли. Роль представила его мировой аудитории и принесла ему первую из восьми номинаций на премию Оскар за лучшую мужскую роль. За эту роль он получил премию BAFTA. В 2003 году Лоуренс в исполнении О'Тула был выбран Американским институтом кино в качестве десятого величайшего героя в истории кино.
Затем О'Тул играл Гамлета под руководством Лоуренса Оливье в премьерном спектакле Королевского национального театра в 1963 году. Он сыграл Генриха II в фильме «Лев зимой» (1968) вместе с Кэтрин Хепберн и снова был номинирован на Оскар. В 1969 году он сыграл главную роль в фильме «Прощайте, мистер Чипс», музыкальной экранизации повести Джеймса Хилтона. Он был вновь номинирован на премию Оскар и получил премию Золотой глобус за лучшую мужскую роль в мюзикле или комедии.
О'Тул получил еще одну номинацию на Оскар за выступление в «Правящем классе» (1972. В 1972 году он сыграл Мигеля де Сервантеса и его вымышленного персонажа Дон Кихота в фильме «Человек из Ла Манчи», адаптации бродвейского мюзиклу 1965 года с участием Софи Лорен. Фильм был коммерческим провалом, также его критиковали за использование в основном не поющих актеров. Его пение было дублировано тенором Саймоном Гилбертом, но другие актеры пели самостоятельно. О'Тул и коллега по фильму Джеймс Коко, который играл и слугу Сервантеса, и Санчо Панса, оба получили номинации на Золотой глобус за свои выступления.
О’Тул сыграл еще во множестве кинофильмов, однако при этом не забывая про театр, в котором он продолжал работать до 1999 года. 10 июля 2012 года О’Тул заявил об окончании своей актерской карьеры.
В свои юные годы О’Тул активно протестовал против участия Британии в Корейской войне. Позже, в 1960-х годах, он был активным противником войны во Вьетнаме. В 1959 году он женился на валлийской актрисе Шан Филлипс, от которой у него было две дочери: Кейт и Патриция. Они развелись в 1979 году. Филлипс позже в своих автобиографиях описывала, что О’Тул подвергал ее психологической жестокости, в основном вызванной алкоголем. Также у него были приступы сильной ревности, когда она бросила его ради молодого любовника. У Питера и его подруги, модели Карен Браун, 17 марта 1983 года родился сын Лоркан О’Тул, когда самому актеру было пятьдесят лет.
Тяжелая болезнь почти закончила жизнь О’Тула в конце 1970-х, когда его рак желудка был неверно диагностирован как следствие переизбытка алкоголя. В 1976 году он перенес операцию по удалению поджелудочной железы и большой части желудка, что привело к инсулинозависимому диабету. В 1978 году он чуть не умер от заболевания крови. В конце концов он выздоровел и вернулся к работе.
В июле 2012 года из-за рецидива рака он закончил свою карьеру. Питер О’Тул скончался 14 декабря 2013 года в лондонской больнице в возрасте 81 года.
