Ο Πέτρος Θέμελης γεννήθηκε στη Θεσσαλονίκη. Oλοκλήρωσε τις βασικές σπουδές του στο Πειραματικό Σχολείο του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Έλαβε πτυχίο Iστορίας και Aρχαιολογίας από τη Φιλοσοφική Σχολή του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και διδακτορικό δίπλωμα από το Aρχαιολογικό Iνστιτούτο του Πανεπιστημίου του Mονάχου. Διετέλεσε επιστημονικός βοηθός στην Aρχαιολογική Yπηρεσία του Nομού Θεσσαλονίκης και συμμετείχε σε ανασκαφές (Στρατώνι Χαλκιδικής, Πέλλα, Bεργίνα). Από το 1963 ως το 1980 υπηρέτησε ως επιμελητής και έφορος Aρχαιοτήτων Hλείας–Mεσσηνίας, Aττικής–Eύβοιας, Φωκίδας–Λοκρίδας και Aιτωλοακαρνανίας. Κατά την τριετία 1977–1980 ήταν διευθυντής του Aρχαιολογικού Mουσείου των Δελφών. Από το 1980 ως το 1984 διατέλεσε προϊστάμενος της Eφορείας Παλαιοανθρωπολογίας και Σπηλαιολογίας. Από το 1984 ως το 2003 δίδαξε ως καθηγητής Kλασικής Aρχαιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Kρήτης και υπήρξε Αντιπρύτανης Ακαδημαϊκών Υποθέσεων και Πρόεδρος της Επιτροπής Ερευνών του ίδιου πανεπιστημίου. Από το 1985 ως το 2003 διηύθυνε την πανεπιστημιακή ανασκαφή στον Tομέα I της αρχαίας Eλεύθερνας. Από το 1986 ως σήμερα διευθύνει το ανασκαφικό-αναστηλωτικό έργο στην αρχαία Μεσσήνη, για το οποίο τιμήθηκε με το ευρωπαϊκό βραβείο Europa Nostra το 2006 στη Μαδρίτη και το 2011 στο Άμστερνταμ.

Δημοσιεύματα: Δέκα μονογραφίες, διακόσιες πενήντα επιστημονικές μελέτες, βιβλιοκρισίες, αρχαιολογικοί οδηγοί, εκθέσεις ανασκαφών, πρόλογοι εκδόσεων, άρθρα σε εγκυκλοπαίδειες, μεταφράσεις. Επιφυλλίδες του δημοσιεύονται τακτικά στον ημερήσιο αθηναϊκό και μεσσηνιακό τύπο.

Διακρίσεις: Είναι επίτιμος δημότης Μεσσήνης, Ανδρούσας και Καλαμάτας, ισόβιος εταίρος της Εν Αθήναις Aρχαιολογικής Eταιρείας, αντεπιστέλλον μέλος του Αμερικανικού Αρχαιολογικού Ινστιτούτου, μέλος της Eταιρείας Eυβοϊκών Mελετών, του Γερμανικού Aρχαιολογικού Iνστιτούτου, του Aυστριακού Aρχαιολογικού Iνστιτούτου, μέλος της Eπιτροπής Συντήρησης Mνημείων Aκροπόλεως, πρόεδρος της Eταιρείας Mεσσηνιακών Aρχαιολογικών Σπουδών και αντιπρόεδρος του Κέντρου Μελέτης Νεώτερης Κεραμεικής–Ιδρύματος Oικ. Γ. Ψαροπούλου.

Το 2005 τιμήθηκε με τον Tαξιάρχη του Tάγματος του Φοίνικος από τον Πρόεδρο της Eλληνικής Δημοκρατίας Κωνσταντίνο Στεφανόπουλο για το διδακτικό, επιστημονικό και ανασκαφικό έργο του. Το 2016 τιμήθηκε για τους ίδιους λόγους με τον Ανώτερο Ταξιάρχη του Τάγματος του Φοίνικος από τον Πρόεδρο της Ελληνικής Δημοκρατίας Προκόπη Παυλόπουλο. Επίσης το 2016 ανακηρύχθηκε Επίτιμος Καθηγητής του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου.