Петр Петрович Семенов-Тян-Шанский родился 14 января 1827 года в дворянской семье из Рязанской губернии. Мужчины в семье состояли на военной службе. Отец участвовал в Бородинском сражении, а дед – в суворовском походе.
Петр Петрович успешно окончил школу гвардейских предпрапорщиков в Петербурге, а затем естественное отделение Петербургского университета. В 1849 году Петр Петрович стал членом Русского географического общества, а двумя годами позже, после самостоятельного изучения растительности бассейна Оки и Дона, защитил магистерскую диссертацию «Придонская флора в ее отношениях с географическим распределением растений в Европейской России».
Два года Петр Петрович изучал геологию и география в странах Европы. Крупные открытия Семенов совершил, изучая хребты Тянь-Шаня. Исследователь открыл миру десятки неизвестных науке растений, доказал, что на Тянь-Шане нет действующих вулканов, а вечные снега лежат на очень большой высоте. Семенов разработал концепцию знаний о Тянь-Шане. Так появилась и приставка к его фамилии, ставшая неотъемлемой.
В 1873 году Петр Петрович был избран вице-президентом Русского географического общества. Вплоть до своей кончины Семенов занимал этот высокий пост. За это время он опубликовал трехтомную историю Общества за все пятьдесят лет его существования.
Экспедиции Николая Пржевальского, Петра Кропоткина и других состоялись, благодаря поддержке и идейному руководству Петра Петровича. Результаты этих исследовательских экспедиций изменили прежние представления об Азии.
«Географическо-статистический словарь Российском империи» был составлен Семеновым. Большой и значимый труд Семенова совместно с В. Ламанским был выпущен в 1899-1914 гг.
Петр Петрович возглавлял ЦК статистики и состоял в комиссии по подготовке крестьянской реформы 1861 года. Первая российская перепись населения была проведена по инициативе Тянь-Шанского. В 1882 году Петр Петрович стал сенатором крестьянского департамента в Сенате, а в 1897 году – членом Госсовета.
Серьезным увлечением Петра Петровича была нидерландская живопись. «Этюды по истории нидерландской живописи» в двух частях был издан Семеновым-Тян-Шанским, а в 1874 году он был избран почетным членом Академии художеств в Петербурге. Свою личную, весьма богатую коллекцию работ фламандских и голландских художников он передал Эрмитажу. Собрание насчитывало 3500 гравюр и 700 картин.
Петр Петрович стал кавалером отечественных и иностранных орденов, ордена Святого Андрея Первозванного, лауреатом многих премий. В честь ученого названые местности, насекомые и растения. За выдающиеся достижения географов награждают золотыми и серебряными медалями имени П. Семенова. В родовой усадьбе Семеновых был открыт Музей-усадьба П.П. Семенова-Тян-Шанского.
Петр Петрович скончался 11 марта 1914 года в Петербурге и похоронен на Смоленском кладбище.