Навчався в Саратовському військово-піхотному училищі, учасник Німецько-радянської війни, був поранений, відзначився в боях. Нагороджений орденами Вітчизняної війни І та ІІ ступеня, медалями.
У 1954 р. закінчив операторський факультет ВДІКу (майстерня Б. І. Волчека).
1955–1972 рр. працює на Одеській кіностудії (оператор, а з 1962 р. — кінорежисер).
За операторську роботу над картиною «Спрага» удостоєний Другої премії на Всесоюзному кінофестивалі у 1960 р.
У 1970 р. дебютував як актор у ролі старшого лейтенанта Володимира Яковенка в телефільмі «Був місяць травень» (реж. М. Хуциєв, сценарій Г. Бакланова). Пізніше зіграв кілька епізодичних ролей.
Грав на семиструнної гітарі, імпровізував. З 60-х також виступав як самобутній композитор — автор музики і пісень до фільмів (зокрема, до українських — «Сильніші від урагану» та «Над нами Південний Хрест» на вірші поета Г. Поженяна).
З 1975 р. — кінорежисер на «Мосфільмі».
У 1984 році картина режисера «Військово-польовий роман» (1983) була висунута на премію «Оскар» в номінації «Найкращий фільм іноземною мовою».
Велику популярність здобув фільм «Інтердівчинка» (1989).
У 1998-му поставив мелодраму «Ретро втрьох» — римейк картини А. Роома «Третя Міщанська».
Сценарні та режисерські роботи П. Тодоровського удостоєні безлічі різноманітних призів і премій на міжнародних та вітчизняних кінофестивалях (КФ «Вікно в Європу» у Виборзі, МФ фільмів про права людини «Сталкер» в Москві, КФ російських фільмів у Онфлері, ОРКФ «Кінотавр» в Сочі, МКФ в Женеві, ОКФ «Кіношок» в Анапі, Премія «Золотий Овен», МКФ авторського фільму в Сан-Ремо, КФ «Сузір'я», Міжнародний кінофестиваль у Токіо, Премія «Ніка», МКФ в Анкарі, МКФ у Празі, Всесоюзний кінофестиваль, МКФ у Вальядоліді, МКФ у Венеції тощо).
Нагороджений орденами і медалями.
Пішов з життя 24 травня 2013. Похований на Новодівичому кладовищі в Москві.
Сім'я:
- Перша дружина: актриса Надія Чередніченко, в шлюбі народилася дочка.
- Друга дружина (з 1962): Міра Тодоровська (нар. 30 липня 1933) — кінопродюсер.
- Син: Валерій Тодоровський (нар. 8 травня 1962 р.) — російський сценарист, кінорежисер, продюсер, актор.
