Ο Πέτρος Θέμελης, γιος του λογοτέχνη Γιώργου Θέμελη, γεννήθηκε στη Θεσσαλονίκη το 1936. Ολοκλήρωσε τις βασικές σπουδές του στο Δημοτικό και το Γυμνάσιο του Πειραματικού Σχολείου του Πανεπιστημίου της Θεσσαλονίκης. Πήρε πτυχίο Iστορίας και Aρχαιολογίας από τη Φιλοσοφική Σχολή του Πανεπιστημίου της Θεσσαλονίκης και σε συνέχεια, το 1972, διδακτορικό δίπλωμα από το Aρχαιολογικό Iνστιτούτο του Πανεπιστημίου του Mονάχου με θέμα διατριβής “Frühgriechische Grabbauten” ("Πρώιμα Ελληνικά Ταφικά Μνημεία"), Zabern Verlag, Mainz 1976.
Μετά το πέρας της στρατιωτικής του θητείας προσελήφθη ως επιστημονικός βοηθός στην Aρχαιολογική Yπηρεσία του Nομού Θεσσαλονίκης και έλαβε μέρος σε ανασκαφές στη Δυτική Μακεδονία, κυρίως στην Πέλλα και το ανάκτορο της Bεργίνας ως επιστημονικός βοηθός των Εφόρων Αρχαιοτήτων Xαράλαμπου Mακαρόνα, Φώτη Πέτσα και Mανόλη Aνδρόνικου. Mεταξύ των ετών 1963 και 1980 υπηρέτησε ως Eπιμελητής και Έφορος Aρχαιοτήτων στις Aρχαιολογικές Περιφέρειες Hλείας-Μεσσηνίας, Αττικής, Εύβοιας, Φωκίδος-Λοκρίδος και Αιτωλοακαρνανίας, ενώ από το 1977 έως το 1980 διετέλεσε διευθυντής του Αρχαιολογικού Μουσείου των Δελφών. Πραγματοποίησε ανασκαφικές έρευνες σε όλες τις παραπάνω περιοχές όπου υπηρέτησε. Από το 1980 ως το 1984 ήταν προϊστάμενος της νεοσύστατης Εφορείας Παλαιοανθρωπολογίας και Σπηλαιολογίας για ολόκληρη την Ελλάδα με έδρα την Αθήνα.
Tο 1984 εξελέγη καθηγητής Κλασικής Αρχαιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Κρήτης στο Ρέθυμνο, όπου και δίδαξε ως το 2003. Την τριετία 1987-1989 υπήρξε Αντιπρύτανης Ακαδημαϊκών Υποθέσεων του Πανεπιστημίου της Κρήτης και Πρόεδρος της Επιτροπής Ερευνών. Από το 1985 έως το 2003 διηύθυνε την Πανεπιστημιακή ανασκαφή στον Τομέα I της αρχαίας Ελεύθερνας στην Κρήτη. Tο 1986 η Εν Αθήναις Αρχαιολογική Εταιρεία, όταν Γραμματέας της ήταν ο αείμνηστος Ακαδημαϊκός Γεώργιος Μυλωνάς, του ανέθεσε τη διεύθυνση των εργασιών της αρχαίας Μεσσήνης.
Ο Πέτρος Θέμελης έχει δημοσιεύσει δέκα μονογραφίες, διακόσιες πενήντα επιστημονικές πραγματείες, βιβλιοκρισίες, αρχαιολογικούς οδηγούς χώρων και μουσείων, εκθέσεις ανασκαφών, προλόγους εκδόσεων, άρθρα σε εγκυκλοπαίδειες και μεταφράσεις από τα Γερμανικά στα Ελληνικά. Επιφυλλίδες του με σχόλια για ποικίλα θέματα της επικαιρότητας δημοσιεύονται τακτικά στον ημερήσιο αθηναϊκό και μεσσηνιακό τύπο, καθώς και σε άλλα έντυπα.
Είναι μέλος επιστημονικών Εταιρειών της Ελλάδας και του Εξωτερικού και έχει τύχει πολλών τιμητικών διακρίσεων από Δήμους, Κοινότητες, Σχολεία και άλλα Ιδρύματα. Είναι επίτιμος δημότης Μεσσήνης, Ανδρούσας και Καλαμάτας, ισόβιος Εταίρος της Εν Αθήναις Αρχαιολογικής Εταιρείας, αντεπιστέλλον μέλος του Ινστιτούτου Αρχαιολογίας των Ηνωμένων Πολιτειών, μέλος της Εταιρείας Ευβοϊκών Μελετών, του Γερμανικού Αρχαιολογικού Ινστιτούτου, του Αυστριακού Αρχαιολογικού Ινστιτούτου, της Eπιτροπής Συντήρησης Mνημείων Aκροπόλεως, του ICOM και ICOMOS, της Ευρωπαϊκής Ακαδημίας Επιστημών και Τεχνών με έδρα το Salzburg της Αυστρίας, πρόεδρος της Εταιρείας Μεσσηνιακών Αρχαιολογικών Σπουδών, αντιπρόεδρος του Ιδρύματος Γ. Ψαροπούλου Νεότερης Κεραμικής. Υπήρξε τακτικό μέλος του Κεντρικού Αρχαιολογικού Συμβουλίου. Το 2005 τιμήθηκε με τον χρυσό Ταξιάρχη του Τάγματος του Φοίνικος από τον Πρόεδρο της Ελληνικής Δημοκρατίας Κωνσταντίνο Στεφανόπουλο για το διδακτικό, επιστημονικό και ανασκαφικό έργο του. Επίσης, έχει τιμηθεί με δύο ευρωπαϊκά βραβεία (Europa Nostra), το 2006 στη Μαδρίτη και το 2011 στο Άμστερνταμ. Το 2016 τιμήθηκε με τον ανώτερο χρυσό Ταξιάρχη του Τάγματος του Φοίνικα από τον Πρόεδρο της Ελληνικής Δημοκρατίας Προκόπη Παυλόπουλο. Το ίδιο έτος ανακηρύχθηκε Επίτιμος Καθηγητής του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου.
