Ο Πέτρος Θέμελης είχε γεννηθεί το 1936 στη Θεσσαλονίκη, γιος του φιλόλογου και ποιητή Γεωργίου Θέμελη και αδελφός του βιολιστή και διευθυντή του Κρατικού Ωδείου Θεσσαλονίκης Δημητρίου Θέμελη. Ολοκλήρωσε το δημοτικό και το γυμνάσιο του Πειραματικού Σχολείου του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Αρχικά ξεκίνησε σπουδές φιλολογίας. Πήρε πτυχίο ιστορίας και αρχαιολογίας από τη Φιλοσοφική Σχολή του ΑΠΘ το 1959, και ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου το 1972.
Το 1962, προσελήφθη επιστημονικός βοηθός στην Αρχαιολογική Υπηρεσία Θεσσαλονίκης. Κατά το διάστημα 1963-1980 ήταν επιμελητής και έφορος αρχαιοτήτων στις αρχαιολογικές περιφέρειες Ηλείας-Μεσσηνίας, Αττικής, Εύβοιας, Φωκίδος-Λοκρίδος και Αιτωλοακαρνανίας, ενώ το διάστημα 1977-1980 ήταν διευθυντής του Αρχαιολογικού Μουσείου των Δελφών. Από το 1980 ώς το 1984, διετέλεσε Προϊστάμενος της Εφορίας Παλαιοανθρωπολογίας και Σπηλαιολογίας, ενώ από το 1984 ώς το 2004 υπηρέτησε ως καθηγητής κλασικής αρχαιολογίας στο τμήμα Ιστορίας και Αρχαιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης στο Ρέθυμνο.
Ως καθηγητής του Πανεπιστημίου Κρήτης διηύθυνε την πανεπιστημιακή ανασκαφή του Τομέα Ι στην αρχαία Ελεύθερνα του Μυλοποτάμου Ρεθύμνου για την οποία έγραψε και επιμελήθηκε σημαντικό αριθμό επιστημονικών εκδόσεων. Από το 1987, είναι διευθυντής του Προγράμματος Ανασκαφής και Αναστήλωσης της Αρχαίας Μεσσήνης, για την οποία έχει συγγράψει μονογραφίες και πλήθος επιστημονικών άρθρων. Οι ανασκαφές στην αρχαία πόλη της Μεσσήνης έχουν αποκαλύψει πολλά από τα μνημεία που περιγράφει και τον 2ο αι. μ.Χ. ο περιηγητής Παυσανίας.
Διεύθυνε ή έλαβε μέρος σε ανασκαφές στη Βεργίνα, στην Πέλλα, στην Ολυμπία, στους Δελφούς, στην Ερέτρια, και στο Κάλλιο.
