Его отец, Бертран Пельтье умер рано, в возрасте 36 лет. Он был фармацевтом и последователем Лавуазье. Пьер Пельтье обучался на фармацевта, интересовался наукой, рано познакомился с работами Лавуазье. В круг его интересов входили растительные лекарственные вещества. В 1817 году, вместе с Кавенту, он выделил зелёный пигмент из листьев растений, который они назвали хлорофиллом. Есть сведения, что в этот год Пельтье и французский физиолог Франсуа Мажанди получили эметин — главный алкалоид корня ипекакуаны. В 1818 году Пельтье и Кавенту открыли алкалоид стрихнин, в 1819 году — алкалоиды бруцин, колхицин и вератрин. Наибольший успех пришёл к Пельтье и Кавенту в 1820 году, когда они экстрагировали из коры хинного дерева алкалоиды, названные ими хинин и цинхонин. Хинин стал первым эффективным лекарством против малярии. Исследователи открыли собственный завод по производству хинина в фр. , где обрабатывалось сырьё, поступающее из Южной Америки. Партнёры не стремились получить коммерческую выгоду из открытия хинина и опубликовали сведения о новом алкалоиде. В 1826 году на заводе в Neuilly из 1,5 тонн хинной коры было произведено около 45 кг хинина, а в 1939 году всемирное потребление хинина составило 600 тонн.
В 1821 году Пельтье выделил пиперин. В 1823 году, совместно с химиком Жаном Дюма, он выявил свидетельство присутствия азота в алкалоидах. В 1826 году им был получен кониин. В 1832 Пельтье обнаружил новый опийный алкалоид нарцеин. Позже, в 1835 году он выделил тебаин (параморфин). В исследовании 1837—1838 годов он из сосновой смолы выделил толуол. Считается что им были получены и другие алкалоиды: пикротоксин, колхицин, вератрин.
В своей научной работе Пельтье особенно заметен введением новых методов производства органических веществ. Определение алкалоидов, предложенное Пельтье, позволило отнести к алкалоидам большинство соединений традиционно считавшихся алкалоидами, но по классическому определению Винтерштейна — Трира не попадавших в их число.
Пельтье в 1825—1840 годах был профессором фармацевтического училища в Париже Эколь де Фармаси (фр. ), а в 1832 году стал одним из его директоров. В 1840 он был избран членом Французской Академии наук.
В честь Пельтье названы:
и др.