Pierre Alexandrovitch d'Oldenbourg était le fils unique du prince Alexandre d'Oldenbourg et d'Evguénia Maximilianovna, née duchesse de Leuchtenberg. Sa mère était la petite-fille de l'empereur Nicolas I et d'Evguénie de Beauharnais, le beau-fils de Napoléon, tandis que son père était l'arrière-petit-fils du tsar Paul I.

En 1901, Pierre épousa la fille de l'empereur Alexandre III, la sœur de l'empereur Nicolas II, la Grande Duchesse Olga Alexandrovna. Pierre et Olga étaient des cousins éloignés : le père d'Olga, l'empereur Alexandre III, était le cousin germain de la mère de Pierre et le cousin au second degré de son père. Ainsi, les époux avaient deux ancêtres communs, les empereurs russes Paul I et Nicolas I. Leur mariage était sans enfants, malheureux et avait à l'origine un caractère politique. En 1916, ils divorcèrent.

Au grade de général-major, Pierre commandait un régiment de tireurs de la Famille Impériale. Après les événements de février 1917, il prit sa retraite et s'installa dans son domaine dans la province de Voronej. Après la Révolution d'Octobre, il émigra en France avec ses parents, où il vécut à Paris et dans une ferme près de Bayonne. En 1922, il épousa Olga Vladimirovna Serebriakova, née Ratkova-Rozhnova. Pierre s'adonna à la littérature et publia à Paris trois nouvelles sur la vie populaire sous le pseudonyme de « Pierre Alexandrov ». Ivan Bounine, en exil, communiquait souvent avec le prince d'Oldenbourg et après sa mort de la tuberculose fulgurante en 1924, il écrivit un article à son sujet.

Pierre Alexandrovitch est enterré dans la crypte de l'église Saint-Michel-Archange à Cannes.