Учился сначала у Роберт Ауденарде и у Антонио Балестра, затем у Франческо Тревизани в Риме и у Солимена в Неаполе. Из ранних работ известны несколько образов для Веронской церкви, картины «Св. Людовик», «Вознесение» (обе в Падуе), «Рождество Богородицы» (в Риме). В 1750 году переехал в Вену, затем работал в Дрездене и Мюнхене. Из дрезденских работ известны «Портрет Карла, герцога Курляндского», «Св. Иаков», «Св. Магдалина», «Бегство в Египет», «Монах»; из мюнхенских — «Прерванный сон» и «Плачущая девочка». При саксонском дворе в Дрездене работал также придворным живописцем.
В 1756 году переехал в Санкт-Петербург, получив приглашение от императрицы Елизаветы Петровны работать при российском дворе. Художник быстро вошёл в моду благодаря лёгкой и комплиментарной манере письма. Его деятельность в России была необыкновенно плодотворна — он создал десятки придворных портретов, выполненных на заказ, а также множество так называемых «головок» — небольших портретов девушек или юношей в национальных костюмах. Ротари оставил след в истории русской живописи, занимаясь преподавательской деятельностью: среди его учеников были Ф. С. Рокотов и И. С. Аргунов.
Умер в Санкт-Петербурге в 1762 году.
У Пьетро Ротари заказывали портреты многие известные люди царствования Елизаветы Петровны. Наиболее известны портреты:
императрицы Елизаветы Петровны в чёрной мантилье (Большой Петергофский дворец), её же поясной (Большой Екатерининский дворец), П. А. Бутурлина, графини М. А. Воронцовой (поясной), И. И. Воронцова, М. И. Воронцова, А. А. Голицыной (1759), князя А. М. Голицына (в Академии Художеств), Св. Димитрия, митрополита Ростовского (1759), три — Великой княгини Екатерины Алексеевны (будущей Екатерины II; все 1758 года; в Эрмитаже, Русском музее и музее-усадьбе «Кусково»), цесаревича Павла Петровича в раннем детстве, княгини Е. С. Куракиной, графа Г. Г. Орлова, два — графа Б. Ф. Растрелли, графини А. А. Рибопьер, два — генерал-фельдмаршала П. С. Салтыкова (1760), графа Ф. М. Санти, графа Е. В. Сиверса, графа А. С. Строганова, графа А. В. Суворова, графини В. А. Шереметевой, графа П. Б. Шереметева (оба в музее-усадьбе «Кусково»), два — И. И. Шувалова (один из них в Гатчинском дворце), князя Эстергази (там же).
В Александро-Невской лавре кисти Пьетро Ротари принадлежит «Рождество Спасителя».
На протяжении всей своей жизни художник интересовался костюмами и любил рисовать идеализированные портреты моделей в разнообразных одеждах с национальным колоритом. Ещё в 1760 году Елизавета Петровна приобрела у Ротари 50 таких работ, а после его смерти Екатерина II выкупила у вдовы художника все полотна, что оставались в мастерской. Художник слыл большим знатоком костюма; среди портретов есть модели в польских, венгерских, турецких русских и т. д. Всего набралось около четырёх сотен портретов, выполненных в одной манере и связанные одной темой. Екатерина II решила украсить работами Ротари один из интерьеров Большого Петергофского дворца. В 1764 году по проекту Ж. Б. Валлен-Деламота была закончена шпалерная развеска картин в зале, именуемом сейчас Картинным (другое название зала — Кабинет мод и граций). В зале представлено самое крупное собрание работ художника: 368 полотен занимают почти всю площадь стен. Некоторые работы созданы Ротари ещё до приезда в Россию, но большинство написаны здесь.
Такие же полотна художника представлены в Оранниенбауме и Архангельском. В Китайском павильоне Оранниенбаума по замыслу Екатерины II устроен Кабинет Ротари, в нём представлены 22 работы художника; в Архангельском есть Салон Ротари.
Портрет Августа III, короля Польши и курфюрста Саксонии
Александр Великий и Роксана. 1756 (Государственный Эрмитаж)
Портрет Бартоломео Франческо Растрелли