Отец — царь Алексей Михайлович — имел многочисленное потомство: Пётр был 12-м ребёнком, но первым от второй жены, царицы Натальи Нарышкиной. 29 июня в день Святых Петра и Павла царевич был крещён в Чудовом монастыре и наречён Петром.
Летом 1724 года его болезнь усилилась, в сентябре он почувствовал себя легче, но через некоторое время приступы усилились. В октябре Пётр отправился осматривать Ладожский канал, вопреки советам своего лейб-медика Блюментроста. С Олонца Пётр проехал в Старую Руссу и в ноябре водой поехал в Петербург. У Лахты ему пришлось, стоя по пояс в воде, спасать севший на мель бот с солдатами. Припадки болезни усилились, но Пётр, не обращая на них внимания, продолжал заниматься государственными делами. 17 января 1725 году ему пришлось так худо, что он распорядился поставить в соседней со своей спальней комнатой походную церковь, а 22 января исповедался. Силы начали оставлять больного, он уже не кричал, как прежде, от жестокой боли, но только стонал.

27 января (7 февраля) были прощены все осуждённые на смерть или каторгу (исключая убийц и уличённых в неоднократном разбое). В тот же день в исходе второго часа Пётр потребовал бумаги, начал было писать, но перо выпало из его рук, из написанного смогли разобрать только два слова: «Отдайте всё…». Царь велел позвать тогда дочь Анну Петровну, чтобы она писала под его диктовку, но когда она пришла, Пётр уже впал в забытьё.