Пётр Александрович Ольденбургский был единственным ребенком в семье князя Александра Ольденбургского и Евгении Максимилиановны, урождённой герцогини Лейхтенбергской. Его мать была внучкой императора Николая I и Евгения Богарне, пасынка императора Наполеона, а отец — правнуком царя Павла I.
В 1901 году женился на дочери императора Александра III, сестре действующего императора Николая II Великой Княгине Ольге Александровне. Пётр и Ольга приходились друг другу и троюродными, и четвероюродными братом и сестрой: отец Ольги, император Александр III, был двоюродным братом матери Петра и троюродным братом отца Петра. Таким образом, супруги имели двух общих предков — двух российских императоров Павла I и Николая I. Брак этот был бездетным и неудачным, и изначально политическим. Супруги развелись в 1916 году.
В чине генерал-майора командовал полком стрелков Императорской Фамилии. После февраля 1917 года ушёл в отставку и поселился в своем имении в Воронежской губернии. После Октябрьской революции вместе с отцом и матерью эмигрировал во Францию, где жил в Париже и на ферме под Байонной. В 1922 году женился на Ольге Владимировне Серебряковой (1878—1953), урожденной Ратьковой-Рожновой. Занимался литературой и под псевдонимом «Пётр Александров» опубликовал в Париже три рассказа из народного быта. Иван Бунин в эмиграции часто общался с принцем Ольденбургским и после его смерти от скоротечной чахотки в 1924 году написал о нём очерк.
Похоронен в крипте Михаило-Архангельской церкви в Каннах.
