Пётр Катаев родился 21 января 1930 года. Его отец — известный писатель Евгений Петров, брат — композитор Илья Катаев. Имя Петру Катаеву дали в честь деда. Аналогично и его отец взял себе псевдоним «Петров» по своему отчеству, в честь деда Петра Васильевича Катаева, традиционный русский способ образования фамилии из отчества. В 1953 году Пётр закончил операторский факультет ВГИКа. В кино с 1959 года. Работал, в основном, с режиссёром Татьяной Лиозновой. Был женат на Наталье Катаевой, родной сестре Народной артистки СССР Нонны Мордюковой. Умер во время съёмок фильма Татьяны Лиозновой «Конец света с последующим симпозиумом» 15 августа 1986 года. Похоронен на Кунцевском кладбище.