Пётр Александрович Ольденбургский был единственным сыном князя Александра Ольденбургского и Евгении Максимилиановны, в девичестве герцогини Лейхтенбергской. Его мать являлась внучкой императора Николая I и Евгения Богарне, пасынка Наполеона, а отец был правнуком царя Павла I.

В 1901 году Пётр женился на дочери императора Александра III, сестре императора Николая II, Великой Княгине Ольге Александровне. Пётр и Ольга были троюродными и четвероюродными родственниками: отец Ольги, император Александр III, был двоюродным братом матери Петра и троюродным братом его отца. Таким образом, у супругов было двое общих предков, российские императоры Павел I и Николай I. Их брак был бездетным, неудачным и изначально носил политический характер. В 1916 году они развелись.

В звании генерал-майора Пётр командовал полком стрелков Императорской Фамилии. После событий февраля 1917 года он вышел в отставку и поселился в своем имении в Воронежской губернии. После Октябрьской революции вместе с родителями эмигрировал во Францию, где жил в Париже и на ферме под Байонной. В 1922 году он женился на Ольге Владимировне Серебряковой, урожденной Ратьковой-Рожновой. Пётр занимался литературой и под псевдонимом «Пётр Александров» опубликовал в Париже три рассказа о народной жизни. Иван Бунин, находясь в эмиграции, часто общался с принцем Ольденбургским и после его смерти от скоротечной чахотки в 1924 году написал о нём очерк.

Пётр Александрович похоронен в крипте Михаило-Архангельской церкви в Каннах.