Пётр Ильич Виноградов родился 8 июля 1924 года в деревне Петровские Гари Оленинского района Калининской области.
Получил неполное среднее образование.
Пётра Ильича Виноградова в ряды РККА призвали в феврале 1942 года и был сразу направлен на фронт Великой Отечественной войны
В боях за польский город Бяла-Подляска младший сержант Пётр Ильич Виноградов 26 июля 1944 года, незаметно проникнув на окраину города, автоматными очередями вызвал панику в тылу гитлеровцев. Этим поступком младший сержант Пётр Ильич Виноградов способствовал успешному наступлению своего батальона, при этом, захватив в плен офицера и трёх солдат врага.
10 августа 1944 года в бою за деревню Натолин Пётр Ильич Виноградов первым достиг её окраины, при этом, уничтожив гранатой пулемётное гнездо и автоматным огнём — несколько солдат противника.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 24 марта 1945 года за мужество и героизм, проявленные в боях с немецко-фашистскими захватчиками Петру Ильичу Виноградову присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
В ряды КПСС Пётр Ильич Виноградов вступил в 1945 году.
В 1947 году старшина Пётр Ильич Виноградов был демобилизован.
После демобилизации старшина Пётр Ильич Виноградов переехал в Москву. Там он получил специальность слесаря и стал работать на одном из заводов.
Старшина Пётр Ильич Виноградов умер 5 ноября 2002 года. Похоронен на Останкинском кладбище в Москве.
В честь старшины Петра Ильича Виноградова на месте могилы (Останкинское кладбище, Москва) возведён памятник.