Пётр Александрович Бильдерлинг родился в Санкт-Петербурге. Он происходил из баронского рода Бильдерлинг, небогатых обрусевших балтийских немцев — выходцев из Курляндии. Его отец, Александр Григорьевич Бильдерлинг, был военным инженером, участником Крымской войны, дослужившимся до генерал-лейтенанта инженерной службы. Мать, Мария Фроловна, происходила из рода Доливо-Добровольских.

Пётр Александрович был воспитанником Пажеского корпуса, затем окончил Михайловское артиллерийское училище по первому разряду. Он участвовал в войне на Кавказе и русско-турецкой войне 1877—1878 гг, где был тяжело ранен. После отставки он активно участвовал в нефтяном бизнесе братьев Нобель, был одним из основателей и председателем правления общества «Бранобель». Также он был арендатором Ижевского оружейного завода, который был модернизирован при его участии.

Пётр Александрович был женат дважды. Его первая жена, Наталия Александровна Баранцова, умерла после родов. Вторая жена, Софья Владимировна Вестман, была фрейлиной двора. У них было несколько детей, включая сыновей Петра, Владимира, Александра, Георгия, Николая и Андрея, и дочерей Марию, Наталию, Софью, Елену и Екатерину. Он скончался 23 сентября 1900 года.