Ο Πέτρος Θέμελης γεννήθηκε το 1936 στη Θεσσαλονίκη, ενώ το 1962 προσελήφθη ως επιστημονικός βοηθός στην Αρχαιολογική Υπηρεσία της πόλης. 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.
Ανέδειξε τον αρχαιολογικό χώρο της αρχαίας Μεσσήνης ως πρότυπο ανασκαφικών εργασιών, αναστήλωσης και συντήρησης
Από το 1980 ως το 1984, ήταν προϊστάμενος της Εφορείας Παλαιοανθρωπολογίας και Σπηλαιολογίας, ενώ από το 1984 ως το 2004 διετέλεσε καθηγητής Κλασικής Αρχαιολογίας στο Τμήμα Ιστορίας και Αρχαιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης στο Ρέθυμνο.
Από το 1987, υπήρξε διευθυντής του Προγράμματος Ανασκαφής και Αναστήλωσης της αρχαίας Μεσσήνης, για την οποία είχε συγγράψει μονογραφίες και πλήθος επιστημονικών άρθρων.
Ελαβε επίσης μέρος και διηύθυνε ανασκαφές στη Βεργίνα, στην Πέλλα, στην Ολυμπία, στους Δελφούς, στην Ερέτρια και στο Κάλλιο.
Επιστημονικός βοηθός στην Aρχαιολογική Yπηρεσία Nομού Θεσσαλονίκης, συμμετοχή σε ανασκαφές (Στρατώνι Χαλκιδικής, Πέλλα, Bεργίνα).
1963-1980 Eπιμελητής και Έφορος Aρχαιοτήτων Hλείας-Mεσσηνίας, Aττικής, Eύβοιας, Φωκίδος-Λοκρίδος και Aιτωλοακαρνανίας.
1977-1980: διευθυντής Aρχαιολογικού Mουσείου Δελφών.
1980-1984: προϊστάμενος Eφορείας Παλαιοναθρωπολογίας Σπηλαιολογίας.
1984-2003 καθηγητής Kλασικής Aρχαιολογίας στο Πανεπιστήμιο Kρήτης, Αντιπρύτανης Ακαδημαϊκών Υποθέσεων, Πρόεδρος της Επιτροπής Ερευνών.
1985-2003: διευθυντής Πανεπιστημιακής ανασκαφής Tομέα I Eλεύθερνας.
1986-σήμερα: διευθυντής ανασκαφικού-αναστηλωτικού έργου στην αρχαία Μεσσήνη.
Δημοσιεύματα: 6 μονογραφίες, 250 επιστημονικές μελέτες, βιβλιοκρισίες, αρχαιολογικοί οδηγοί, εκθέσεις ανασκαφών, πρόλόγοι εκδόσεων, άρθρα σε εγκυκλοπαίδειες, μεταφράσεις. Επιφυλλίδες στον ημερήσιο αθηναϊκό και μεσσηνιακό τύπο.
Μέλος επιστημονικών Eταιρειών Eλλάδας και Eξωτερικού. Επίτιμος δημότης Μεσσήνης και Ανδρούσας, ισόβιος Εταίρος Aρχαιολογικής Eταιρείας, αντεπιστέλλον μέλος Ινστιτούτου Αρχαιολογίας Ηνωμένων Πολιτειών, μέλος Eταιρείας Eυβοϊκών Mελετών, Γερμανικού
Aρχαιολογικού Iνστιτούτου, Aυστριακού Aρχαιολογικού Iνστιτούτου, αντιπρόεδρος Eπιτροπής Συντήρησης Mνημείων Aκροπόλεως, πρόεδρος Eταιρείας Mεσσηνιακών Aρχαιολογικών Σπουδών, αντιπρόεδρος Iδρύματος Γ. Ψαροπούλου Nεότερης Kεραμικής.
Στις 18 Ιανουαρίου 2005, παρέλαβε τον Ταξιάρχη του Τάγματος του Φοίνικος από τον Πρόεδρο της Ελληνικής Δημοκρατίας, Κωνσταντίνο Στεφανόπουλο.
Το 2016 τιμήθηκε για τους ίδιους λόγους με τον Ανώτερο Ταξιάρχη του Τάγματος του Φοίνικος από τον Πρόεδρο της Ελληνικής Δημοκρατίας Προκόπη Παυλόπουλο. Επίσης το 2016 ανακηρύχθηκε επίτιμος καθηγητής του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου.
