Петр Сергеевич Вельяминов родился в Москве.
   В 1943-1952 был незаконно репрессирован.
   С 1952 - актер драматического театра в Абакане, с 1955 - Тюменского областного драматического театра.
   Работал в театрах Дзержинска, Новочеркасска, Чебоксар, Иваново.
   С 1972 - актер Московского театра "Современник", с 1974 - Театра-студии киноактера.
   На протяжении многих лет, с 1995 г., Петр Сергеевич играл в Санкт-Петербургском академическом театре комедии имени Н.П. Акимова, где был занят в спектакле "Мужчины в ее жизни", работал в известном театре антрепризы "Приют комедианта".
   С удовлетворением признавался, что актерская судьба никогда не обделяла его интересными ролями. Мечтал попробовать себя в пьесах Шекспира, Чехова, Островского. Находил время и для преподавательской деятельности в качестве заведующего кафедрой театрального факультета в Балтийском институте экологии, политики и права.
   В 1990-2000-х годах П. С. Вельяминов не утратил творческой активности в кинематографе, порадовав поклонников своего таланта работой в известных телесериалах "Зимняя вишня" (1995), "Бандитский Петербург" (2000), "Время любить" (2002), "Агент национальной безопасности", съемками в фильмах "Воровка" (1995), "Ермак"(1996), "Между светом и тенью луны" (совместная работа российских и мексиканских кинематографистов, 2001) и других.
   Народный артист РСФСР (1985).
   Лауреат Государственной премии СССР.
   Народный артист Чувашской Республики.
   Кавалер народного ордена "Созидатель Петербурга" (2002).
   Обладатель титула "Человек года" (2002).
   Много читал, любил проводить свободное время на природе, являлся попечителем строительства приюта для бездомных животных в Санкт-Петербурге.
   Жил и работал в Санкт-Петербурге.
   Похоронен на Литераторских мостках Волковского кладбища в Санкт-Петербурге.