De formation théâtrale, Peter Stormare joue pendant une quinzaine d'années au Théâtre National de Suède et participe à cinq grandes tournées internationales dirigées par Ingmar Bergman : Hamlet, Long day's journey into night, Mademoiselle Julie, Le Roi Lear et Les Bacchantes. Sa première apparition au cinéma remonte à 1986, il joue alors dans Den Frusna leoparden, un drame de Lárus Ýmir Óskarsson. Enchaînant les petits rôles dans quelques longs métrages suédois comme Freud quitte la maison (1991) de Susanne Bier, il s'installe aux Etats-Unis en 1992.

Ayant préalablement incarné un spécialiste en neurologie dans L'Eveil (1990) de Penny Marshall, Peter Stormare donne la réplique à Jeremy Irons et Juliette Binoche dans le drame Fatale (1992) de Louis Malle. C'est en 1996 qu'il accède véritablement à la consécration grâce à sa prestation de Gaear Grimsrud, le complice psychopathe de Steve Buscemi, dans Fargo des frères Joel et Ethan Coen. Il tourne à nouveau sous leur direction en 1997 dans The Big Lebowski.

Son physique imposant et sa mine patibulaire lui permettent d'incarner des personnages inquiétants comme un mystérieux homme de main dans Code Mercury (1998) de Harold Becker, un trafiquant de snuff movies dans 8mm (1999) de Joel Schumacher ou encore un ami peu recommandable dans Bruiser (2000) de George A. Romero.

Peter Stormare tourne avec les plus grands réalisateurs hollywoodiens, comme Steven Spielberg qui le dirige dans Le Monde perdu (1997) et Minority Report (2002), Michael Bay (Armageddon, 1998 ; Bad Boys II, 2003), ou encore John Woo (Windtalkers, 2002). Parallèlement à sa carrière américaine, il continue à jouer sous la direction de cinéastes européens comme l'Allemand Wim Wenders (The Million Dollar Hotel, 1999), le Danois Lars von Trier (Dancer in the dark, 2000) et le Suédois Lasse Hallström (Le Chocolat, 2001). L'année 2005 est particulièrement chargée avec des rôles dans Constantine, 2001 Maniacs et Les Frères Grimm.

Plutôt rare sur le petit écran, l'acteur accepte une apparition en guest-star dans Joey en 2004 avant de se laisser enfermer dans le pénitencier de Prison Break (2005). Peter y incarne un dangereux chef de la mafia, John Abruzzi, qui purge une peine de 120 ans d'emprisonnement, et qui profite du plan de Scofield (Wentworth Miller) pour tenter de s'évader.

Très prolifique, Peter Stormare est à l'aise dans tous les genres, drame (Prémonitions, 2007), policier (Les Cavaliers de l'Apocalypse, 2008), fantastique (L'Imaginarium du Docteur Parnassus, 2009). Le comédien ne délaisse pas la petite lucarne et rejoint le casting de plusieurs séries à succès le temps de quelques épisodes (Entourage, Hawaii 5-0, Weeds, NCIS : Los Angeles). En 2012, ce grand comédien (1,91 mètres) joue aux côtés de Guy Pearce dans le thriller Lock Out et donne la réplique à Mel Gibson dans Kill the Gringo.

L'année 2013 voit Peter se frotter au colosse Arnold Schwarzenegger qui fait un retour fracassant au cinéma. Les deux hommes se combattent sous la direction de Kim Jee-woon dans Le Dernier rempart. Le comédien incarne également Berringer dans la nouvelle version des aventures d'Hansel & Gretel avec Jeremy Renner.