Пётр Мамонов родился в Москве на Большом Каретном. Ярко выраженными артистическими способностями обладал ещё в детстве — был отчислен из двух средних школ за то, что «устраивал цирк». В июне 1970 года сыграл в абсурдистском моноспектакле «„Левис“, он и есть „левис“ — ко?ттон посолидней» — спектакль прошел на задней площадке троллейбуса 5-го маршрута от «Психодрома № 2» до Савёловского вокзала.
Работал грузчиком, банщиком и лифтёром в Доме Литфонда.
Пётр Мамонов всегда писал стихи, песни начал писать около 1980 года. К моменту создания группы «Звуки Му», лидером, фронтменом и единственным бессменным участником которой является Мамонов, ему было уже 30. Это отличает его практически от всех советских рок-музыкантов того времени, обычно начинавших музыкальную карьеру в возрасте около 20 лет. В совершенстве владеет английским и норвежским языками, его переводы публиковались во многих поэтических антологиях.
С 1995 года живёт в деревне Ефаново под Вереей Наро-фоминского района Московской области.
В начале 1980-х годов в Москве Мамонов вместе с Александром Липницким создал группу «Звуки Му», с которой стал известен широкой публике. «Звуки Му» распадались, собирались снова, и, хотя и формально, существуют по сей день, но не как группа, а скорее как сольный авторский проект Мамонова.
Мамонов участвовал в проекте «Мамонов и Алексей», состоящем из него самого и его сводного брата, участника группы «Звуки Му» Алексея Бортничука. В 1990 году вышел одноимённый проекту альбом, созданный ими.
7 января 1989 года вышла в эфир передача «Музыкальный ринг». В поединке известных рок-групп Москвы и Ленинграда участвовали «Звуки Му», «Авиа», «Странные игры», «Центр», «Вежливый отказ» и другие ("Джунгли").
В 1994 году он совместно с Василием Шумовым записал альбом «Русские поют» с цинично звучащими ремейками англоязычных песен «Битлз», Джона Леннона и многих других.
По мнению музыкального обозревателя Издательского дома «КоммерсантЪ» Бориса Барабанова, на песнях Мамонова вырос весь отечественный панк.
12 июня 2011 года выступил на рок-фестивале «Рок над Волгой» в Самаре.
Помимо музыкальной деятельности, Пётр Мамонов также известен как актёр театра и кино. Среди фильмов, в которых снялся Пётр Мамонов в главной роли, работы режиссёра Павла Лунгина:
Также Петр Мамонов снялся в фильмах Рашида Нугманова «Игла» и «Игла. Remix»
Особенным успехом пользовался фильм «Остров», в котором Пётр Мамонов играет старца в монастыре (отца Анатолия). Многие считают, что в этом фильме Мамонов сыграл сам себя. Фильм получил много положительных отзывов, в том числе со стороны церкви, и был показан в канун православного рождества 2007 года на российском телевидении.
Также, Пётр Николаевич снимался в фильме «Нога» в одной из главных ролей: роли брата Мартына.
Пётр Мамонов играл в театре, в частности, в своих моноспектаклях.
Первым его спектаклем был «Лысый брюнет» в театре им. Станиславского. Партнёром Петра был актёр театра и кино Денис Бургазлиев. Спектакль шёл несколько лет и пользовался большим успехом. В 1995 году был закрыт. Официальной видеозаписи спектакля не существует. В Интернете можно встретить любительскую запись, сделанную в начале 1990-х поклонниками.
Следующим спектаклем был «Полковнику никто не пишет», в котором Мамонов снова играл с Денисом Бургазлиевым. Последний в 1997 году переехал в Германию.
Пётр Мамонов был известен пристрастием к алкогольным напиткам, ярким подтверждением чему может являться песня «Звуков Му» «Бутылка водки». Олег Коврига, занимавшийся выпуском альбомов и частично менеджментом «Звуков Му», вспоминал в 2006 году: «Я не могу сказать, что байки о Петином алкоголизме „сильно преувеличены“» и «По количеству организованных квартирников и выпитого на них алкоголя мы с Петей были явными чемпионами города Москвы».
Впоследствии Мамонов стал православным христианином, о чём часто говорит в интервью. По утверждению самого Мамонова в интервью, вышедшем с диском «Есть ли жизнь на Марсе», после обращения в христианство он полностью отказался от употребления алкоголя и марихуаны.
Жена Петра Мамонова Ольга Ивановна в течение многих лет является менеджером его сольных выступлений.
Сын — Иван Петрович Мамонов, молодой режиссёр и оператор.