Петро Фоменко закінчив кілька навчальних закладів. Серед них музично-педагогічний інститут ім. Гнєсіних, училище М.М. Іпполітова-Іванова по класу скрипки. А зі Школи-студії МХАТ його відрахували на третьому курсі «за хуліганство».
Потім його взяли в МГПИ імені В.І. Леніна на філологічний факультет, який Петро закінчив заочно в 1955 році. Тут майбутній режисер здружився з Ю.І. Візбором, Ю.Ч. Кімом, Ю.І. Ковалем. Організовував «капусники», репетирував «Кам'яного гостя» А.С. Пушкіна. Саме на той час припадають перші постановки вистав Фоменко.
Паралельно з МГПИ молодий чоловік навчався на режисерському факультеті ГІТІСу на курсі Н.М. Горчакова. Вистава «Нова Містерія-Буф», поставлений Петром відразу після отримання диплома в Театрі ім. Ленсовета в 1969 році, став легендою. Роботу не допустили до прем'єри. Тоді до Фоменко підійшли два ленінградських критика, І.І. Шнейдерман і Р.М. Беньяш, і порадили йому виїхати з міста. Але він не послухав їх, і домагався успіху знову і знову.
У цей час Петро Фоменко перебивався випадковими заробітками. Брав участь у передачах на телебаченні, репетирував і грав різні ролі в драмгуртку і навіть займався приватною практикою філолога.
Постійну роботу в Москві він так і не знайшов. Тоді Фоменко вирішив відправитися в Тбілісі, де влаштувався в театр ім. Грибоєдова. У цьому закладі відпрацював 2 сезони. А пізніше переїхав до Ленінграда. У 1977 році його затвердили головним режисером в Ленінградському Театрі Комедії. Звідси звільнився після конфлікту з керівництвом і повернувся в Москву. У 1989 році його прийняли в Театр імені Є.Б. Вахтангова.
Постановки режисера мали світовий успіх. Роботи регулярно ставали лауреатами різних нагород (ім. Станіславського, «Кришталева Турандот», «Золота Маска»). У 1993 році Фоменко присвоїли звання Народного артиста Росії, висунули на звання лауреата Державної премії Російської Федерації, вручили премію «Тріумф» та ім. Товстоногова. Петро Фоменко є володарем ордена «За заслуги перед Вітчизною» IV і III ступенів.
У 2000 році влаштувався на роботу в паризьку консерваторію. У 2003 році вийшов на пенсію і оселився знову в Москві. Помер режисер 9 серпня 2012 і був похований на Ваганьковському кладовищі.