Peter is de zoon van Hermann en Auguste van Pels. Het gezin is Joods en woont in Osnabrück (Duitsland). In 1937 hakken Peters ouders de knoop door vanwege het antisemitisme van de nazi’s. Het gezin verhuist naar Amsterdam. Van Peter zijn maar een handvol foto’s bewaard gebleven. Op de enige foto van hem die gemaakt is in Amsterdam, is hij bezig met de reparatie van een stoel. Vermoedelijk volgde hij in 1942 een cursus bekleden van meubels.Als er meer en meer oproepen voor dwangarbeid in nazi-Duitsland verspreid worden, duikt ook de familie Van Pels onder in het Achterhuis. Peters vader werkt voor Otto Frank en zij hebben afgesproken dat er plek is voor twee gezinnen.
Peter komt met zijn ouders op 13 juli 1942 aan in de schuilplaats, een week na de familie Frank. Hij mag van zijn ouders zijn kater Mouschi meenemen. Anne heeft geen hoge dunk van Peter. Als enige van de acht onderduikers krijgt Peter een eigen kamertje. In het midden ervan leidt een trap naar de zolder en de vliering van het Achterhuis. Daar is Peter vaak te vinden: hij knutselt en timmert veel en hakt het hout voor de kachel. Peter is stil en teruggetrokken in het Achterhuis. Volgens Anne luiert hij ‘de hele dag op z'n bed, timmert een beetje en gaat weer dutten.’ Ook volgens Otto Frank is Peter in het begin ‘lui en ongeïnteresseerd’ en bestaat er weinig contact tussen hem en Margot en Anne. ‘Maar daarna werd hij toch door de ijver van de meisjes aangespoord om te leren en schaamde hij zich ervoor om achter te blijven'.
Naarmate de onderduik langer duurt, groeien Peter en Anne naar elkaar toe. Het is Anne die het initiatief neemt; zij heeft behoefte aan iemand waarmee zij over haar gevoelens kan praten. De twee brengen steeds meer tijd met elkaar door. Peter en Anne praten over alles wat hen bezighoudt. Over hun situatie, hun ouders en Peters toekomstdroom schrijft Anne: ‘Hij vertelde me dat hij later naar Nederlands-Indië wou en daar op de plantages leven’. Peter en Anne worden verliefd. Ze knuffelen en zoenen op Peters kamer en op zolder. Maar na een tijdje realiseert Anne zich dat Peter toch niet de vriend kan worden waar zij op gehoopt had. Zij neemt wat afstand, Peter niet.
Peter krijgt Engelse les van Otto Frank als Nederlandse agenten, onder aanvoering van SS-Hauptscharführer Karl Josef Silberbauer op 4 augustus 1944 de schuilplaats binnenvallen. Na zijn arrestatie komt hij samen met de anderen in het doorgangskamp Westerbork terecht. Volgens een medegevangene zijn Peter en Anne daar veel samen. Op 3 september moeten Peter en zijn ouders - net als de familie Frank en Fritz Pfeffer - mee met een transport naar Auschwitz-Birkenau. Op het perron ziet hij Anne en zijn moeder voor het laatst.
Peter wordt tewerkgesteld bij de postafdeling van Auschwitz. Daardoor lukt het hem om af en toe aan extra eten te komen. Dat deelt hij met zijn vader en Otto Frank. Tot zijn grote verdriet sturen de nazi’s zijn vader begin oktober 1944 naar de gaskamer.
Als het Sovjet-leger nadert, besluiten de nazi's om Auschwitz te ontruimen. Alle gevangenen die nog kunnen lopen, moeten mee. Otto Frank ligt dan in de ziekenbarak. Hij kan niet mee en probeert Peter ervan te overtuigen dat het beter is om zich in die ziekenbarak te verstoppen, maar Peter weigert. Hij denkt dat hij door zijn redelijke conditie een goede kans heeft te overleven. Na een barre tocht komt Peter met andere gevangenen aan in concentratiekamp Mauthausen. De zware dwangarbeid in de mijn van het buitenkamp Melk eist zijn tol. Peter wordt ziek en belandt in de ziekenbarak.
Het kamp wordt op 5 mei 1945 bevrijd door Amerikaanse legereenheden. Peter van Pels sterft op 10 mei 1945. Hij is slecht 18 jaar oud.