Карл Петер Ульрих, будущий император Петр III Федорович был единственным сыном герцога Карла Фридериха Шлезвиг-Голштейн-Готторпского и цесаревны Анны Петровны; внук императора Петра I и внучатый племянник короля Швеции Карла XII (его отец был сыном сестры Карла XII принцессы Гедвичг — Софии). Родился в городе Киле. В трехмесячном возрасте лишился матери, в 11 лет — отца. Его воспитатель, грубый и невежественный гофмаршал О. Брюмер, изощренно унижал принца, не гнушаясь отборной ругани и рукоприкладства, даже в присутствии придворных, в наказание часто ставил его коленями на горох. Принца учили много, но бестолково, что породило у него отвращение ко многим наукам: латынь ему надоела так, что позднее в Петербурге он запретил помещать в свою библиотеку книги на латыни. Его готовили к тому, что он станет королем Швеции и воспитали поэтому в нем неприязнь к России.
После вступления в России на престол в ноябре 1741 г. бездетной тетки принца императрицы Елизаветы Петровны, он был вызван ею в Петербург, куда прибыл в феврале 1742 г., крещен по православному обряду и официально объявлен наследником российского престола под именем великого князя Петра Федоровича. Об этом очень колко высказался В. О. Ключевский: «владельцу маленького герцогства Голштинского грозила серьезная опасность стать наследником двух крупных престолов, шведского и русского. Сначала его готовили к первому и заставляли учить лютеранский катехизис, шведский язык и латинскую грамматику. Но Елизавета, вступив на русский престол и желая обеспечить его за линией своего отца… ее племянника взяли из Киля и доставили в Петербург. Здесь голштинского герцога Карла-Петра-Ульриха преобразили в великого князя Петра Федоровича и заставили изучать русский язык и православный катехизис».
Елизавета приставила к нему штат учителей, а обязанности воспитателя возложила на академика Я. Штелина, который отмечал способности и превосходную память Петра Федоровича, хотя и признавал, что гуманитарные науки его не привлекали и «часто просил он вместо них дать урок из математики». Любимыми предметами наследника были фортификация и артиллерийское дело, «а видеть развод солдат во время парада доставляло ему гораздо большее удовольствие, чем балеты». Однако планомерным занятиям мешало участие наследника в придворных церемониях, его частые болезни, уроки проводились урывками. Русское обучение поэтому оказалось не менее бестолковым, чем шведское.
В мае 1745 г., став совершеннолетним, Петр Федорович был объявлен правящим герцогом Шлезвиг-Голштейн-Готторпским. В августе 1745 г. он вступил в брак со своей двоюродной сестрой принцессой Софией Фредерикой Августой Ангальт-Цербстской, в православии нареченной великой княгиней Екатериной Алексеевной. Но их семейная жизнь была короткой: разные по складу ума, характеру, уровню образования, привычкам, они, после рождения в 1754 г. сына Павла, жили вместе чисто формально. Петр Федорович завел себе фаворитку графиню Е. Р. Воронцову.
С детства проявлявший склонность к военному делу, он занялся им с увлечением. Но военное дело было для него не столько предметом изучения, сколько забавой, а благоговение перед выдающимся прусским королем-полководцем Фридрихом II превращалось в стремление подражать ему в мелочах. Чтобы он чувствовал в России себя «в своей тарелке», Елизавета пошла на то, что выписала из Киля для него голштинский отряд. Среди голштинских солдат он и проводил все свое время. Княгиня Е. Р. Дашкова называла их «сволочью, состоявшей из сыновей немецких сапожников». По воспоминаниям А. Болотова, с ними он напивался каждый день и нес в это время жуткую чушь.
В 1756 г., в начале Семилетней войны, великий князь вошел в состав Конференции при высочайшем дворе. Являясь, как и его супруга, сторонником прусской ориентации во внешней политике, он осуждал участие России в этой войне. Петр Федорович даже оказывал Фридриху II определенные «услуги». Отношения с Елизаветой Петровной у Петра стали натянутыми. Среди ее бумаг нашли следующую записку: «Племянник мой урод, черт его возьми!» Ближайшие сановники Елизаветы (граф А. П. Бестужев-Рюмин, Н. П. Панин, И. И. Шувалов советовали ей отстранить великого князя от наследования и передать престол Павлу Петровичу при регентстве Екатерины Алексеевны, а то и просто самой Екатерине. Но Елизавета умерла 25 декабря 1761 г., не успев ни на что решиться.
После смерти Елизаветы императором стал все же Петр Федорович.