Старший брат генерал-лейтенанта русской армии князя Романа Ивановича Багратиона и дядя генерал-лейтенанта русской армии, инженера и учёного-металлурга князя Петра Романовича Багратиона (сына Р. И. Багратиона).
Потомок грузинского царского дома Багратионов. Ветвь картлийских князей Багратионов (предков Петра Ивановича) была внесена в число российско-княжеских родов 4 октября 1803 года при утверждении императором Александром I седьмой части «Общего гербовника».
Царевич Александр (Исаак-бег) Иессевич, побочный сын картлийского царя Иессе, выехал в Россию в 1759 году из-за разногласий с правящей грузинской семьёй и служил подполковником в кавказской дивизии.
За ним переехал его сын Иван Багратион (1730—1795). Он поступил на службу в комендантскую команду при Кизлярской крепости. Несмотря на утверждения многих авторов, он никогда не был полковником российской армии, русского языка не знал, и вышел в отставку в чине секунд-майора.
Согласно справочным данным Пётр Багратион был рождён в Кизляре в 1769 году. Однако, по сведениям А. Микаберидзе, дело обстоит иначе. Согласно петициям Ивана Александровича, родители будущего генерала Багратиона переехали из Иверии (Грузии) в Кизляр в декабре 1766 года (задолго до присоединения Грузии к Российской империи). Отсюда исследователь делает вывод, что Пётр был рождён в июле 1765 года в Грузии и скорее всего в столице — городе Тифлисе.
Детские годы Пётр Багратион провёл в родительском доме в Кизляре.
Военную службу Пётр Багратион начал 21 февраля (4 марта) 1782 года рядовым в Астраханском пехотном полку, расквартированном в окрестностях Кизляра. Первый боевой опыт приобрёл в 1783 году в военной экспедиции на территорию Чечни. В неудачной вылазке российского отряда под командованием Пиери против восставших горцев шейха Мансура в 1785 адъютант полковника Пиери, унтер-офицер Багратион, был захвачен в плен под селением Алды, но затем выкуплен царским правительством.
В июне 1787 года ему было присвоено звание прапорщика Астраханского полка, который был преобразован в Кавказский мушкетёрский.
В Кавказском мушкетёрском полку Багратион служил до июня 1792 года, последовательно пройдя все ступени военной службы от сержанта до капитана, в которые был произведён в мае 1790 года. С 1792-го служил в Киевском конно-егерском и Софийском карабинерном полках. Участвовал в русско-турецкой войне 1787—92 и Польской кампании 1794. Отличился 17 декабря 1788 года при штурме Очакова.
В 1797 году — командир 6-го егерского полка, а в следующем году произведён в полковники.
В феврале 1799 года получил чин генерал-майора.
В Итальянском и Швейцарском походах А. В. Суворова в 1799 году генерал Багратион командовал авангардом союзной армии, особенно отличился в сражениях на реках Адда и Треббия, при Нови и Сен-Готарде. Этот поход прославил Багратиона как превосходного генерала, особенностью которого являлось полное хладнокровие в самых трудных положениях.
Активный участник войны против Наполеона в 1805—1807 годах. В кампании 1805 года, когда армия Кутузова совершала стратегический марш-манёвр от Браунау к Ольмюцу, Багратион возглавлял её арьергард. Его войска провели ряд успешных боёв, обеспечивая планомерное отступление главных сил. Особенно прославились они в сражении при Шёнграбене.
В Аустерлицком сражении Багратион командовал войсками правого крыла союзной армии, которые стойко отражали натиск французов, а затем составили арьергард и прикрывали отход главных сил.
В ноябре 1805 года получил чин генерал-лейтенанта.
В кампаниях 1806—07 годов Багратион, командуя арьергардом российской армии, отличился в сражениях у Прейсиш-Эйлау и под Фридландом в Пруссии. Наполеон составил мнение о Багратионе как о лучшем генерале российской армии.
В русско-шведской войне 1808—09 командовал дивизией, затем корпусом. Руководил Аландской экспедицией 1809 года, в ходе которой его войска, преодолев по льду Ботнический залив, заняли Аландские острова и вышли к берегам Швеции.
Весной 1809 года произведён в генералы-от-инфантерии.
Во время русско-турецкой войны 1806—12 годов был главнокомандующим Молдавской армией (июль 1809 — март 1810), руководил боевыми действиями на левом берегу Дуная. Войска Багратиона овладели крепостями Мачин, Гирсово, Кюстенджа, разгромили у Рассавета 12-тысячный корпус отборных турецких войск, нанесли крупное поражение противнику под Татарицей.
С августа 1811 года Багратион — главнокомандующий Подольской армией, переименованной в марте 1812 во 2-ю Западную армию. Предвидя возможность вторжения Наполеона в пределы России, выдвинул план, который предусматривал заблаговременную подготовку к отражению агрессии.
В начале Отечественной войны 1812 года 2-я западная армия располагалась под Гродно и оказалась отрезанной от основной 1-й армии наступавшими французскими корпусами. Багратиону пришлось с арьергардными боями отступать к Бобруйску и Могилёву, где он после боя под Салтановкой перешёл Днепр и 3 августа соединился с 1-й западной армией Барклая-де-Толли под Смоленском.
Багратион выступал сторонником привлечения к борьбе с французами широких слоёв народа, был одним из инициаторов партизанского движения.
При Бородино армия Багратиона, составляя левое крыло боевого порядка российских войск, отразила все атаки армии Наполеона. По традиции того времени к решающим сражениям всегда готовились как к смотру — люди переодевались в чистое белье, тщательно брились, надевали парадные мундиры, ордена, белые перчатки, султаны на кивера и т. д. Именно таким, каким он изображен на портрете — с голубой андреевской лентой, с тремя звездами орденов Андрея, Георгия и Владимира и многими орденскими крестами — видели полки Багратиона в Бородинском сражении, последнем в его боевой жизни. Осколок ядра раздробил генералу большеберцовую кость левой ноги. От предложенной врачами ампутации князь отказался. На следующий день Багратион упомянул в своём донесении царю Александру I о ранении:
Полководец был перевезён в имение своего друга, также участвовавшего в Бородинской битве генерал-лейтенанта князя Б. А. Голицына (его жена приходилась четвероюродной сестрой Багратиону, а их сын, Н. Б. Голицын, был его ординарцем), в село Сима Владимирской губернии.
25 сентября 1812 года Пётр Иванович Багратион умер от гангрены, спустя 18 дней после ранения. Согласно сохранившейся надписи на могиле в селе Сима, он скончался 23 сентября.
После Швейцарского похода Суворова князь Багратион приобрёл популярность в высшем свете. В 1800 году император Павел I устроил свадьбу Багратиона с 18-летней фрейлиной, графиней Екатериной Павловной Скавронской. Венчание состоялось 2 сентября 1800 года в церкви Гатчинского дворца. Вот что писал об этом союзе генерал Ланжерон:
В 1805 году легкомысленная красавица уехала в Европу и с мужем не жила. Багратион звал княгиню вернуться, но та оставалась за границей под предлогом лечения. В Европе княгиня Багратион пользовалась большим успехом, приобрела известность в придворных кругах разных стран, родила дочь (как полагают, от австрийского канцлера князя Меттерниха). После смерти Петра Ивановича княгиня вторично ненадолго вышла замуж за англичанина, а после вернула себе фамилию Багратион. В Россию она уже не вернулась. Князь Багратион, тем не менее, любил жену; незадолго до гибели он заказал художнику Волкову два портрета — свой и жены.
В высшем свете ходили слухи о любви сестры царя, великой княжны Екатерины Павловны, к Багратиону, что вызвало раздражение в императорской семье. Ковалевский Н.Ф. в «Истории государства Российского»: «Ему не дали передышки не столько из-за трудностей в борьбе с турками, сколько в силу привходящих обстоятельств: знаменитым "генералом-орлом" увлеклась молодая великая княжна Екатерина Павловна (сестра Александра 1), и члены императорской фамилии сочли необходимым побыстрее удалить от нее Багратиона.» Опала произошла незадолго до 1812 года.
Детей у Багратиона не было.
Наполеон о Петре Ивановиче Багратионе:
Генерал Ермолов оставил такой отзыв о Багратионе:
Клаузевиц называет Багратиона:
Отчасти эту репутацию подтверждает царь Александр I в своём доверительном письме сестре Екатерине Павловне от 30 сентября 1812 года:
Царь, говоря об отсутствии стратегического дара у Багратиона, ставит ему в вину невыполнение ранее намеченных планов по соединению армий, хотя манёвры Багратиона определялись действиями превосходящего противника. Однако из писем Багратиона известно его стремление к генеральному сражению с Наполеоном, даже на условии численного превосходства французов, из-за чего он рассорился с командующим 1-й армией Барклаем-де-Толли. Багратион не оценил необходимость стратегического отступления, благодаря которому и была одержана победа над Наполеоном[нет в источнике].
В 1839 году по инициативе поэта-партизана Дениса Давыдова прах князя Багратиона был перенесён на Бородинское поле. В торжественной церемонии перезахоронения принимали участие многие видные государственные и военные деятели, включая императора Николая I. В 1932 году был уничтожен монумент на батарее Раевского, могила Багратиона была разрушена, а его останки выкинуты. В 1985—1987 годах памятник восстановили, среди мусора были обнаружены фрагменты костей Багратиона, которые были перезахоронены 18 августа 1987 года незадолго до празднования 175-летия Бородинского сражения (церемония была весьма скромной, руководил ею полковник Иван Федорович Лаптев, начальник политодедела дивизии, расположенной недалеко от Бородино). Склеп полководца расположен рядом с монументом на месте батареи Раевского. Пуговицы и фрагменты мундира полководца стали экспонатами Бородинского военно-исторического музея-заповедника.