В 1940 году П. М. Вострухин был призван Ухтомским РВК Московской области по спецнабору в военно-воздушные войска Красной Армии. В том же году окончил Борисоглебскую военно-авиационную школу летчиков и направлен для дальнейшего прохождения службы в город Новосибирск летчиком — инструктором.
На фронтах Великой Отечественной войны — с октября 1942 года. Младший лейтенант Вострухин за полгода пребывания на фронте совершил 83 боевых вылета, участвовал в 28 воздушных боях, сбил лично 12 и в группе 3 самолета противника. Звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали Золотая Звезда Петру Михайловичу Вострухину присвоено 1 мая 1943 года.
19 июля 1943 года в районе деревни Моховое Залегощенского района Орловской области лейтенант, командир звена П. М. Вострухин уничтожив 4 вражеских самолета погиб в воздушном бою. Похоронен в селе Моховое Залегощенского района Орловской области, где воздвигнут обелиск. На территории завода «Серп и молот» установлен памятник. Имя Героя носят улицы в Москве и селе Моховое.
За весь период в Великой Отечественной войне П. М. Вострухин совершил 114 боевых вылетов, в 38 воздушных боях сбил 28 самолетов противника.
В Москве его именем названа улица, там же установлен бюст героя. Также его именем назван колледж Автоматизации и Радиоэлектроники № 27 им. П. М. Вострухина.