Ladislav Loewenstein wurde am 26. Juni 1904 in Rószahegy in den ungarischen Karpaten als Sohn jüdischer Eltern geboren. 1908 starb seine Mutter, woraufhin sein Vater, ein Kaufmann, erneut heiratete. Loewenstein besuchte zunächst eine deutsche Privatschule in Braila und nach dem Umzug der Familie nach Mödling bei Wien eine Wiener Bürgerschule. Nach dem Schulabschluss begann er auf Wunsch seines Vaters eine Banklehre, provozierte jedoch bald seine Entlassung. Es folgte eine entbehrungsreiche Zeit, bis er sich dem Stehgreiftheater von Jacob Moreno anschloss. Die Improvisationsmethode des späteren Begründers des "Psycho-Dramas" prägte Loewensteins Ausdrucksstil nachhaltig. Zeit seines Lebens blieb er der Psychoanalyse, seiner großen Leidenschaft, verbunden.

Von Moreno erhielt er den Künstlernamen Peter Lorre, bevor er 1924 ein Engagement bei Leo Mittler am Breslauer Lobe- und Thalia-Theater antrat. Es folgten Stationen am Zürcher Schauspielhaus (1925/26), an den Wiener Kammerspielen (1926–27) und am Wiener Carl-Theater (1928). Im Frühjahr 1929 verpflichtete ihn Bert Brecht für die Rolle des Fabian in Fleißers "Pioniere in Ingolstadt" ans Theater am Schiffbauerdamm in Berlin. Anschließend spielte er sowohl dort als auch an der Volksbühne, unter anderem als St. Just in "Dantons Tod" und als Moritz Stiefel in "Frühlingserwachen" (1929).

Wenige Monate nach seiner umstrittenen Interpretation des Galy Gay in "Mann ist Mann" (Staatstheater, Regie: Bert Brecht, Februar 1931), die Brecht auch filmisch festhielt, wurde Lorre mit seinem Leinwanddebüt in Fritz Langs Tonfilm "M" schlagartig berühmt. In der Rolle des Kindermörders Beckert wurde er zum Filmstar. Trotz seines Erfolgs am Theater, unter anderem 1932 am Kabarett der Komiker, und kleinerer Filmrollen mit komischen Zügen („Die Koffer des Herrn O. F.“) verschlechterte sich seine Lage mit der Machtergreifung der Nationalsozialisten.

Am 4. März 1933 floh Lorre ins Exil, um der nationalsozialistischen Verfolgung zu entgehen. Über Wien und Paris – wo er in "Du haut en bas" mitwirkte – gelangte er 1934 nach England, wo er für Alfred Hitchcocks "The Man Who Knew Too Much" engagiert wurde. Während der Dreharbeiten heiratete er die Schauspielerin Cäcilie Lvovsky, später bekannt als Celia Lovsky.

Im Juli 1934 reiste er mit einem Vertrag der Columbia nach Hollywood. Für seinen ersten US-Film "Mad Love" wurde er an MGM ausgeliehen und brillierte als glatzköpfiger „mad scientist“ Dr. Gogol. Graham Greene beschrieb seine Darstellung 1936 mit den Worten: "It was to Lorre alone we owed the goodness, the tenderness of the vicious man. Those marble pupils in the pasty spherical head are like the eye-pieces of a microscope through which you can watch the tangled mind laid flat on the slide: love and lust, hatred of itself and despair jumping out at you from the jelly."

Da er zunehmend auf das Image eines Mörders und Horrorstars festgelegt wurde, wechselte Lorre 1936 zu 20th Century Fox. Doch auch dort wurde er in der "Mr. Moto"-Serie erneut auf eine stereotype Rolle reduziert. Nach Ablauf seines Vertrags 1939 arbeitete er vier Jahre lang ohne feste Studiobindung, erhielt jedoch nicht die erhofften Angebote, die sein Image durchbrechen konnten.

1941 erlebte seine Karriere mit der Darstellung des Joel Cairo in "The Maltese Falcon" einen Wendepunkt. In den folgenden Jahren drehte er mehrere Filme mit Humphrey Bogart, zu dessen Freundeskreis er gehörte, und mit Sydney Greenstreet, mit dem er als "Laurel & Hardy of Crime" (Sennett, 1979) bezeichnet wurde. Von 1943 bis 1946 stand er bei Warner Bros. unter Vertrag. 1945 heiratete er in zweiter Ehe die Schauspielerin Kaaren (Karin) Verne.

Seit 1941 pflegte Lorre wieder engen Kontakt zu Bert Brecht, der mehrere Filmexposés für ihn verfasste – die jedoch von keinem Studio angenommen wurden. Auch die Geschäftspartner seiner 1946 gegründeten Produktionsfirma Lorre Incorporated lehnten die Stoffe ab. Um die Firma zu finanzieren, ging er mit Lesungen auf Tournee und verstärkte seine Radioarbeit, die er bereits Ende der 1930er Jahre begonnen hatte. 1949 musste Lorre Insolvenz anmelden.

Im Juni 1949 kehrte er nach Europa zurück. Er trat mit Rezitationsabenden von Edgar Allan Poes "The Tell-Tale Heart" auf und reiste durch Großbritannien und die Bundesrepublik Deutschland, wo er auch in Flüchtlingslagern arbeitete. 1950/51 schrieb, inszenierte und spielte er in seinem einzigen eigenen Film "Der Verlorene". Der Film erzählte die Geschichte eines Wissenschaftlers, der zum Mörder wurde, aber vom NS-Regime vor der Strafe bewahrt wurde, da seine Forschungen als zu wertvoll galten. Trotz positiver Kritiken floppte der Film an den Kinokassen, woraufhin Lorre mit seiner dritten Ehefrau Annemarie Brenning in die USA zurückkehrte.

Dort spielte er an der Ostküste Theater ("A Night at Madame Tussaud’s"), bis er nach "Beat the Devil" wieder als Filmschauspieler wahrgenommen wurde. Dennoch erhielt er meist nur kleinere Rollen, häufig in farbigen Breitwandfilmen von Irwin Allen, in denen er als rundlicher Blickfang besetzt wurde.

Lorre arbeitete zunehmend fürs Fernsehen, wobei er meist auf sein Horrorstar-Image reduziert blieb. Neue Popularität erlangte er durch seine Zusammenarbeit mit Vincent Price und Boris Karloff in zwei Filmen von Roger Corman ("Tales of Terror“, "The Raven“) sowie in Jacques Tourneurs "The Comedy of Terrors", in denen er mit liebenswert-boshaftem Charme seine komischen und schaurigen Talente ausspielte.

In der Nacht vom 22. auf den 23. März 1964 starb Peter Lorre in seiner Wohnung am Hollywood Boulevard.