В военную службу поступил в 1772 г., зачислившись унтер-офицером в Апшеронский пехотный полк, в составе которого участвовал в походах на Польшу. В 1779 году он переведён в Днепровский гренадерский полк, в рядах которого принял участие в покорении Крыма, находился при взятии Тульчи, Исакчи и при бомбардировании Измаила; в 1794 г. он был переведён в Черниговский гренадерский корпус и вскоре произведён в премьер-майоры. В 1800 г., уже в чине полковника, он был назначен шефом гарнизонного князя Вяземского полка (впоследствии Ахтиарского егерского), а 5 мая 1802 г. перемещён в Троицкий мушкетерский полк с назначением полковым командиром. 29 сентября 1804 г. Небольсин был произведён в генерал-майоры и назначен шефом Троицкого полка; 26 ноября 1802 г. награждён ордном св. Георгия 4-й степени (№ 1344 по списку Григоровича—Степанова). В продолжение 1804—1805 гг. он участвовал в походах за Кубань, а в 1806—1807 г. — в ряде сражений с персами, за что был награждён 10 февраля 1808 г. орденом св. Георгия 3-й степени № 175
Затем он принял участие при взятии Нухи. Далее, в том же году, Небольсин имел блистательное дело с персами под командованием наследника персидского престола Аббаса-Мирзы, закончившееся занятием 1 ноября Нахичевани и оттеснении персов за реку Аракс.
Скончался П. Ф. Небольсин в 1810 г.