Родился  17 (30) апреля 1902 года в Москве в семье принявшего в 1896 году русское гражданство американского учёного-технолога В. Р. Вильямса.

В 1919-1924 годах Пётр Вильямс учился во ВХУТЕМАСе у таких мастеров, как В.В. Кандинский, И.И. Машков, К.А. Коровин, Д.П. Штеренберг.
Принимал участие в создании экспериментального Музея живописной культуры; входил в группу «конкретивистов», стоящую у истоков Общества художников-станковистов (1925-1930). С 1929 года работал в качестве театрального художника.

В Театре Вахтангова оформил три спектакля – «Большой день» (1937, постановка В.В. Кузы), «Ревизор» (1939, постановка Б.Е. Захавы) и «Дон Кихот» (1941, постановка И.М. Рапопорта). К сожалению, декорации Вильямса погибли в 1941 году, когда здание Театра было разрушено во время бомбёжки, но сохранились эскизы. Завораживающие гармонией, тонкой передачей атмосферы происходящего, эскизы к «Дон Кихоту» убедительно рассказывают о живописном своеобразии почерка художника.

Пётр Вильямс стремился создать на сцене впечатление станковой картины. Он использовал огромные панно-задники пейзажного или сюжетного характера, вписанные в зеркало сцены. Особое внимание уделял оформлению портала, а также световому решению спектаклей. Для достижения глубины и объёмности сценического пейзажа Вильямс одним из первых на советской сцене применил тюль и аппликацию.

С 1937 работал художником, а с 1941 года – главным художником в Большом театре, создал эмоциональное, стилистически цельное оформление спектаклей: «Вильгельм Телль», «Иван Сусанин», «Золушка», «Ромео и Джульетта» и др.

Блестящий портретист, Вильямс оставил целую галерею портретов современников, среди которых В.Э. Мейерхольд и К.С. Станиславский.

Петр Владимирович Вильямс ушел из жизни 1 июля 1947 года.