Peter O'Toole lahir dan besar di Leeds, Yorkshire, Inggris, dari pasangan Constance Jane Eliot (Ferguson), perawat Skotlandia, dan Patrick Joseph O'Toole, seorang plater logam Irlandia serta pemain sepak bola dan bandar taruhan. Setelah meninggalkan sekolah, ia ingin jadi jurnalis dan mulai sebagai juru ketik koran. Ia kemudian menjadi wartawan, tapi ketertarikannya ke dunia teater membuatnya debut di panggung pada usia 17 tahun.

Selama dua tahun, O'Toole bertugas sebagai radioman di Angkatan Laut Kerajaan Inggris sebelum masuk Royal Academy of Dramatic Arts. Di sana, ia bersekolah bersama Albert Finney, Alan Bates, dan Richard Harris. Ia menghabiskan beberapa tahun di panggung Bristol Old Vic sebelum melakukan debut film yang tidak mencolok di Disney's Kidnapped (1960).

Pada 1962, David Lean memilihnya memerankan T.E. Lawrence dalam film epik Lawrence of Arabia, yang mengantarkannya menjadi superstar internasional dan meraih nominasi Oscar pertamanya. Setahun kemudian, ia memerankan Hamlet di bawah arahan Laurence Olivier di teater nasional kerajaan. Ia terus tampil di film artistik maupun komersial dan meraih tujuh nominasi Oscar, tanpa kemenangan.

Namun, masalah kesehatan, yang awalnya diduga akibat alkohol tetapi ternyata karena kanker lambung, mengancam karier dan hidupnya di tahun 1970-an. Ia selamat setelah berhenti minum dan menjalani perawatan serius, kembali tampil di film seperti The Stunt Man (1980) dan My Favorite Year (1982). Penampilan luar yang muda dan tampan berubah seiring waktu dan minuman, tetapi ia tetap dihormati sebagai salah satu aktor terbesar.

O'Toole memiliki dua putri, Pat dan Kate, dari pernikahannya dengan aktris Siân Phillips, serta seorang putra, Lorcan, dari model Karen Brown. Pada 14 Desember 2013, ia meninggal di London, Inggris, pada usia 81 tahun, meninggalkan warisan seni dan sejarah peran yang luar biasa.