Fils du célèbre acteur Henry Fonda et frère de Jane Fonda, Peter Fonda est initié dès son plus jeune âge aux métiers du spectacle. Il fait ses études à l'Université d'Omaha, avant de rejoindre la troupe de théâtre de la faculté, avec laquelle il monte pour la première fois sur les planches dans Harvey. Il part ensuite à New York où il devient assistant au Cecilwood Theatre, avant de faire ses débuts à Broadway dans Blood, Sweat and Stanley Poole, en 1961. Il débute sa carrière au cinéma en tenant un petit rôle dans Les Vainqueurs de Carl Foreman.

En 1966, il partage l'affiche des Anges sauvages avec Nancy Sinatra. Les années soixante, c'est aussi le règne des paradis artificiels, du non conformisme et des contestations. En 1969, il produit, co-scénarise et joue, sous la direction de son ami Dennis Hopper, dans le mythique Easy Rider, dans lequel il fume -pour de vrai- de la marijuana. Road movie emblématique de la génération Hippie, le film vaut à Peter Fonda une nomination à l'Oscar du Meilleur scénario original. En 1971, il exploite à nouveau le thème de l'errence dans sa première réalisation, L'homme sans frontière, un western où il se donne le premier rôle.

Après ces succès, la carrière de l'acteur suit un parcours assez chaotique; ses apparitions sur les écrans se font plus rares. Il enchaîne les rôles secondaires, comme dans Open season (1974), Fighting Mad (1976) et Colère froide (1976). En 1996, Peter Fonda participe aux nouvelles aventures du personnage Snake Plissken dans Los Angeles 2013, avant d'incarner un homme tourmenté par la disparition de ses filles dans le remarqué Ulee's Gold. En 1998, il donne la réplique à Terence Stamp dans L' Anglais, derrière la caméra de Steven Soderbergh, qu'il retrouve en 2004 pour les besoins d'Ocean's 12.