Петро Іванович Холодний побачив світ у м. Переяслав Полтавської губернії 18 грудня 1876 р. у заможній сім’ї міського голови. Родичі Петра Холодного з боку матері – Забіяки були художниками-іконописцями, які працювали переважно на Полтавщині.
Петрусь закінчив Четверту Київську гімназію. В останні два гімназійні роки відвідував вечірні заняття у рисувальній школі Миколи Мурашка. У Київському університеті Св. Володимира Петро Холодний вивчав математику, фізику, мінералогію. Після закінчення у 1897 р. природознавчого факультету Київського університету за спеціальністю «Математика та мінералогія», викладав у Київській технічній школі на кафедрі фізики, згодом — професор хімії Київського політехнічного інституту..
Молодий професор повів під вінець Марію Петрівну Іванову (1878 р. м. Гатчин — 1959 р. м. Москва). 
Наречена була найменшою дитиною в багатодітній сім’ї морського офіцера, отримала гарну освіту. Поселилися у п’ятиповерховому цегляному будинку на бул. Т. Шевченка, 46 у квартирі № 8. У молодят знайшлося п’ятеро малят (двоє синів і троє дочок), перші – отримали імена батька та матері.
Доводилося Петру Івановичу багато працювати, щоб немаленькій родині лад дати. Як учений він вивчав темперні фарби. Під час Першої світової війни займався розробками нових видів бойових газів і дезактивуючих засобів проти них. Матеріали цих досліджень залишилися не опублікованими. А у вільний час – малював портрети дітей, казкових героїв. Всі ці роботи бачили та обговорювали тільки рідні. Захоплення батька передалося дітям, бо ще малими вони спостерігали як малює батько, самі пробували малювати. Троє його дітей стали професійними художниками. І треба ж, у 1910 р. без відома автора на виставці живопису в Києві вперше з’явилися картини Холодного «Івасик і відьма», «Вітер», «Катерина», «Похмурий день». 
Вчений-хімік, професор Київського політехнічного інституту П. І. Холодний, не маючи професійної художньої освіти, посів місце поруч із відомими українськими художниками С. Васильківським, В. Кричевським, О. Сластьоном. На той час художник був директором комерційної школи у Києві, де вчилися його діти. Петро Іванович старався бути постійно з дітьми. Улюблену дочку Мусю він намалював на полотні «Дівчина і пава» (1915). 
У березні 1917 р. Петро Холодний став директором першої української гімназії в Києві. Тієї, звідки старшокласники пішли під Крути. Восени 1917 р. запрошений до уряду УНР на посаду товариша міністра освіти (із дорученням розробити основи організації українського шкільництва, в тому числі й мистецького), а пізніше – і самого міністра.
За доби Української революції (1917–1921 рр.) працював у Секретаріаті народної освіти Української Центральної Ради та міністерстві освіти, за Директорії — товаришем міністра всіх міністрів освіти, а згодом Міністром освіти в урядах УНР.
Естет Петро Іванович на засіданнях Ради народних міністрів рідко брав слово, а найчастіше робив портрети-ескізи своїх колег.
Після окупації України більшовиками Петро Холодний разом із урядом емігрував до Тарнова у Західній Галичині (Польща). Дуже переживав, що Марія з чотирма молодшими лишилася в Києві, намагався частіше їм писати. Стреси знімав на рибній ловлі. У 1921 р. переїхав до м. Миколаїв на Львівщині, у 1922 — до Львова. Нарешті зустрівся зі своїм Петрусем. Львівський період був найбагатший у творчості Холодного. Тут він почав малювати, реставрувати (зокрема, у 1921—22 р. ікону Божої Матері Зарваницької), виконував розписи стін і проектував вітражі в Успенській церкві Львова, Миколаївській церкві, Львівській духовній семінарії та у храмах багатьох сіл Галичини.
Петро Холодний – творив проекти чудових килимів, що виготовлялися на Глинянській килимовій фабриці (є у фондах Нац. музею ім. Шептицького). У 1928 р. їздив до Парижа, щоб зібрати матеріал до майбутньої картини про вбивство Симона Петлюри. Художник робив ескізи з місця злочину у різні години дня, вивчаючи освітлення вулиці, знайомився з результатами розслідування справи та розпитував людей про цю трагедію.
Упродовж останніх років Петро Холодний мав гіпертонію. «Не раз мусів припиняти роботу, бо почував зворот голови. Бувало годинами сидів на стільці, схиливши голову на стіл». Петро Холодний помер у Варшаві 7 червня 1930 р., куди приїхав на лікування.
На сьогодні в Національному музеї у Львові зберігається сім живописних творів, кілька робіт зберігаються в Національному художньому музеї, 29 невеличких робіт знаходяться у Вінницькому художньому музеї, інші твори художника зберігаються в приватних колекціях Канади, Німеччини, США, України, Чеської Республіки.
