Bár sokáig úgy írták a források, hogy Peter Seamus O’Toole a zöld sziget nyugati felén, Connemarában született, valójában az angliai Leedsben jött a világra, s itt is nőtt fel szegényes körülmények között. Iskoláit 14 évesen hagyta félbe, ezután egy helyi lapnál volt küldönc, később kritikus. Katonai szolgálatának letöltése után Anglia színházait járta sorra, így jutott el Shakespeare szülőhelyére, Stradford-upon-Avonbe, s a Lear király bemutatója olyan mély hatást gyakorolt rá, hogy eldöntötte: ő is színész lesz.
Megfelelő végzettség híján ösztöndíjasként jutott be a londoni királyi színiakadémiára, ahol Alan Bates és Albert Finney volt évfolyamtársa. A hatvanas évek elején már elismert Shakespeare-színészként tartották nyilván - eljátszotta a Hamlet, a Macbeth címszerepét, Petrucchiót A makrancos hölgyben. A televízióban 1954-ben A vörös Pimpernelben, a filmvásznon 1959-ben a Stevenson romantikus regénye nyomán forgatott Gyermekrablás című alkotásban tűnt fel.
Karrierje 1962-ben ívelt fel, amikor őt választották ki a legendás angol hírszerzőről szóló Arábiai Lawrence című, hét Oscar-díjjal kitüntetett film főszerepére. Az igazsághoz tartozik, hogy a producerek csak azután döntöttek mellette, hogy Marlon Brando és Albert Finney is nemet mondott felkérésre. Alakításáért első alkalommal jelölték az Oscar-díjra, és egy csapásra a legnagyobb sztárok között találta magát.
A világítóan kék szemű O’Toole játszott melodrámában, musicalben, komédiában és történelmi eposzban, emlékezetes volt mint II. Henrik a Becketben (alakításáért újabb Oscar-jelöléssel honorálták), mint Lord Jim és mint hamisítvány-szakértő magánügyvéd a bájos Audrey Hepburn partnereként a Hogyan kell egymillió dollárt lopni? című alkotásban, avagy Don Quijoteként a La Mancha lovagjában, utóbbiban Sophia Loren volt partnere.
A hatvanas évek végén és a hetvenes évek elején újabb három alkalommal jelölték Oscar-díjra, a Viszlát, Mr. Chips és Az oroszlán télen című filmekben (utóbbiban ismét II. Henrik király volt), valamint A felső tízezer című angol vígjátékban nyújtott alakításáért.