Окончил Петербургский университет, после чего учился в Академии художеств (на архитектурном отделении). На передвижных выставках выступал с 1872 по 1914 г. (с 1874 г. -- член Товарищества). П. А. Брюллов был казначеем и членом Правления Товарищества. В 1897--1912 гг. занимал должность хранителя бывш. Музея Александра III. С 1893 г. -- действительный член Академии художеств.
Во второй половине 1870‑х гг. в доме С. В. Ковалевской познакомился с Достоевским. Сын художника, Б. П. Брюллов, записал рассказ отца об этой встрече, который особенно интересен тем, что касается творческого кредо Достоевского и его отношения к искусству: «Смысл его [Достоевского] речи сводился к тому, что творцами-изобретателями в Европе были только романские нации, немцы ж ничего не создали своего нового, а были только перерабатывателями и комментаторами того, что сделали романцы. Разговор перешёл на конкретные примеры, на художественное творчество. И тут, характерно для Достоевского, конкретные явления приняли размеры громадных символов. “У греков, — говорил он, — вся сила их представления божества в прекрасном человеке выразилась в Венере Милосской, итальянцы представили истинную Богоматерь — Сикстинскую мадонну, а мадонна лучшего немецкого художника Гольбейна? Разве это мадонна? Булочница! Мещанка! Ничего больше!..” Взяли пример из литературы. “Позвольте, а «Фауст» Гёте, разве это не оригинальное проявление, запечатление в одном фокусе глубокого творческого немецкого духа?” — сказал кто-то. — “«Фауст» Гёте? Это только переживание книги Иова, прочтите книгу Иова — и вы найдёте всё, что есть главного, ценного в «Фаусте»”. — “Позвольте, — возразил мой отец, — но в таком случае и Сикстинская мадонна есть тоже переживание античности, античного представления красоты…” — “Как! В чём же вы это видите?!” — “Да во всём, во всей трактовке, в каждой складке драпировки…” Надо же было произнести это злосчастное слово. Что тут сделалось с Достоевским! Отец мой от слов переходил к изображению. Достоевский вдруг вскочил, схватился руками за голову, побежал, лицо его исказилось, и он только с каким-то негодованием и ужасом стал повторять: “Драпировка!.. Драпировка!.. Драпировка!..” Я прямо думал, что с ним припадок будет, говаривал отец. Все притаили дыхание. Но Достоевский сел и замолчал вовсе, перестал разговаривать, а вскоре и ушёл. Отец мой, как художник, подошёл к оценке картины с формальной точки зрения, а для Достоевского такая точка зрения, особенно в вопросах, связанных с религией, в которых он жил нутром, была совершенно неприемлема. Для него невыносима была мысль, что в Сикстинской мадонне можно говорить о какой-то драпировке…»