Diplômé de l'école d'animation de CalArts, Peter Docter fait ses premiers pas de dessinateur chez Disney, avant d'être le troisième animateur embauché par la société Pixar en 1990. Co-scénariste et créateur de storyboard pour Toy Story en 1995, Peter Docter est nommé à l'Oscar du Meilleur scénario pour les premières aventures de Buzz et Woody en 1996.

Poursuivant sa carrière chez Pixar, le dessinateur participe à l'animation du court métrage Geri's Game (1997) récompensé durant la cérémonie des Oscars 1998, aide au storyboard de 1001 Pattes en 1998, est co-scénariste et superviseur de l'animation sur Toy Story 2 en 1999. Deux ans plus tard, il assure pour la première fois la fonction de co-réalisateur sur Monstres & Cie, pour lequel il co-écrit le scénario. Le film connaît un grand succès aussi bien auprès du public que de la critique. 

Par la suite, Peter Docter collabore à l'écriture du scénario du toujours très bien reçu Wall-E, une histoire d'amour entre deux robots dans une atmosphère post-apocalyptique puis dans l'espace. En 2009, il revient à la réalisation avec Là-haut, un récit d'aventure et d'amitié entre un vieil homme et un jeune scout. Le film est présenté en ouverture au Festival de Cannes 2009 et remporte notamment l'Oscar du Meilleur Film d'Animation.

Quand le projet Monstres Academy, un préquel de son premier film Monstres & Cie, est évoqué, Peter Docter laisse son siège de réalisateur à Dan Scanlon et se "contente" du poste de producteur afin de mieux préparer sa nouvelle réalisation, Vice Versa, une plongée dans les émotions et l'esprit d'une enfant en pleine croissance. A cette occasion, six ans après Là-haut, Pete Docter revient à Cannes en 2015, pour y présenter son troisième long métrage à ce jour.