Родился 25 апреля 1840 года в селении при Камско-Воткинском заводе Вятской губернии (ныне город Воткинск, Удмуртия). Его отец  — Илья Петрович (1795—1880) — потомок вятского стрелецкого сотника Фёдора Афанасьевича Чайковского, убитого под Полтавой в 1709 году Пётр был вторым ребёнком в семье: в 1838 родился его старший брат Николай, в 1842 — сестра Александра (в замужестве Давыдова) и Ипполит. Братья-близнецы Анатолий и Модест появились на свет в 1850 году.

Родители Петра Ильича любили музыку. Его мать играла на фортепиано и пела, в доме стоял механический орган — оркестрина, в исполнении которого маленький Пётр впервые услышал «Дон Жуана» Моцарта. Пока семья жила в Воткинске, им часто доводилось слышать по вечерам мелодичные народные песни рабочих завода и крестьян. Из письма гувернантки Фанни Дюрбах Петру Ильичу: «Я особенно любила тихие мягкие вечера в конце лета… с балкона мы слушали нежные и грустные песни, только они одни нарушали тишину этих чудных ночей. Вы должны помнить их, никто из вас тогда не ложился спать. Если Вы запомнили эти мелодии, положите их на музыку. Вы очаруете тех, кто не сможет слышать их в вашей стране» В 1849 семья переехала в город Алапаевск, а в 1850 — в Санкт-Петербург. Чувствуя себя низшими по статусу из-за скромного происхождения, в 1850 году родители отправляют Чайковского в Императорское училище правоведения, находившееся вблизи от улицы, ныне носящей имя композитора. Чайковский провёл 2 года в пансионе, в 1300 км от родного дома, так как возраст поступления в училище составлял 12 лет. Для Чайковского разлука с матерью была очень сильной душевной травмой. В 1852 году, поступив в училище, он начал серьёзно заниматься музыкой, которую преподавали факультативно. Чайковский был известен как неплохой пианист и хорошо импровизировал. Однако окружение сомневалось в том, что Чайковский станет выдающимся музыкантом — Рудольф Кюндингер, у которого занимался Чайковский, не видел в нём ничего особенного.

Окончив училище в 1859 году, Чайковский получил чин титулярного советника и начал работать в Министерстве юстиции. В свободное от службы время посещал оперный театр, где на него сильное впечатление оказывали постановки опер Моцарта и Глинки.

В 1861 году поступил в Музыкальные классы Русского музыкального общества (РМО), а после преобразования их в 1862 году в Петербургскую консерваторию стал одним из первых её студентов по классу композиции. Его учителями в консерватории были Николай Иванович Заремба (теория музыки) и Антон Григорьевич Рубинштейн (оркестровка). По настоянию последнего он бросил службу и целиком отдался музыке. В 1865 году окончил курс консерватории с большой серебряной медалью, написав кантату на оду Шиллера «К радости»; другие его консерваторские работы — увертюра к пьесе Островского «Гроза» и танцы сенных девушек, включенные впоследствии в оперу «Воевода».

По окончании консерватории, по приглашению Николая Рубинштейна, переехал в Москву, где получил место профессора классов свободного сочинения, гармонии, теории и инструментовки в только что основанной консерватории.

В 1868 году впервые выступил в печати как музыкальный критик и познакомился с группой петербургских композиторов ― членов «Могучей кучки». Несмотря на разность творческих взглядов, между ним и «кучкистами» сложились дружеские отношения. У Чайковского проявляется интерес к программной музыке, и по совету главы «Могучей кучки» Милия Балакирева он пишет увертюру-фантазию «Ромео и Джульетта» по одноимённой трагедии Шекспира (1869), а критик В. В. Стасов подсказал ему замысел симфонической фантазии «Буря» (1873).

1870-е годы в творчестве Чайковского ― период творческих исканий; его привлекают историческое прошлое России, русский народный быт, тема человеческой судьбы. В это время он пишет такие сочинения, как оперы «Опричник» и «Кузнец Вакула», музыка к драме Островского «Снегурочка», балет «Лебединое озеро», Вторая и Третья симфонии, фантазия «Франческа да Римини», Первый фортепианный концерт, Вариации на тему рококо для виолончели с оркестром, три струнных квартета и другие.

В средине 1880-х Чайковский возвращается к активной музыкально-общественной деятельности. В 1885 его избирают директором Московского отделения РМО. Музыка Чайковского получает известность в России и за границей. Последние годы своей жизни композитор провёл в Клину, Московской области, где сейчас находится его мемориальный музей.

С конца 1880-х годов выступал как дирижёр в России и за рубежом. Концертные поездки укрепили творческие и дружеские связи Чайковского с западноевропейскими музыкантами, среди которых ― Ганс фон Бюлов, Эдвард Григ, Антонин Дворжак, Густав Малер, Артур Никиш, Камиль Сен-Санс и др. Весной 1891 года П. И. Чайковский совершает поездку в США. В качестве дирижёра своих произведений с сенсационным успехом он выступил в Нью-Йорке, Балтиморе и Филадельфии (подробное описание этого путешествия сохранилось в дневниках композитора). В последний раз в жизни Чайковский встал за дирижёрский пульт за девять дней до своей кончины ― 16 октября 1893 г. Во втором отделении этого концерта впервые прозвучала его Шестая, «Патетическая» симфония.

Скончался в 3 часа пополуночи 25 октября 1893 года «неожиданно и безвременно» в своей кваритире в доме 13 на Малой Морской. Распоряжение похоронами, с Высочайшего соизволения, было возложено на дирекцию Императорских театров, что явилось «примером единственным и вполне исключительным».

Вынос тела и погребение состоялось 28 октября; при выносе присутствовал, среди прочих, Принц Александр Петрович Ольденбургский; все расходы на погребение император Александр III повелел покрыть «из Собственых сумм Его Величества». Отпевание в Казанском соборе совершил епископ Нарвский Никандр (Молчанов); пел хор певчих Казанского собора и хор Императорской русской оперы; «стены собора не могли вместить всех, желавших помолиться за упокой души Петра Ильича»; к литургии прибыл великий князь Константин Константинович. Похоронен в Александро-Невской лавре в Некрополе мастеров искусств.