Страсть к лицедейству Пётр проявлял ещё в детстве, за это два раза его даже выгоняли из школы.
Окончив в 1979 году Московский полиграфический техникум, Мамонов поступил в Московский полиграфический институт на редакторский факультет. В студенческие годы занимался переводами с норвежского и английского языков. Работал грузчиком, лифтёром, банщиком и печатником.
С 1980 года Мамонов начал писать песни и в 1983 году собрал рок-группу под названием «Звуки Му». В 1989 году вышла первая пластинка коллектива «Zvuki Mu». Команда отправилась в гастрольный тур по Англии и США. Концерты «Звуков Му» за рубежом имели огромный успех.
В 1991 году рок-банда выпустила альбом «Транснадёжность», после чего прекратила существование. Впоследствии музыканты снова собрались вместе. В общей сложности дискография группы насчитывает около 20 пластинок.
В 1992 году началась театральная карьера Мамонова. Чаще всего он играл в моноспектаклях. Среди наиболее известных постановок Петра Мамонова стоит выделить следующие: «Лысый брюнет», «Есть ли жизнь на Марсе?», «Шоколадный Пушкин», «Мыши, Мальчик Кай и Снежная Королева», «Балет» и «Полковнику никто не пишет».
Кинокарьера Петра Мамонова началась в 1988 году с роли хирурга Артура в триллере Рашида Нугманова «Игла».
Через два года он сыграл главную роль в успешной драме Павла Лунгина «Такси-блюз». Актёру достался образ музыканта, в который он без труда вжился, поскольку Пётр Мамонов долгое время играл в группе «Звуки Му».
В 1991 году на экраны вышли две картины с участием Петра Николаевича: драма Рустама Хамдамова «Анна Карамазова» и психоделический артхаусный киноэксперимент режиссёра Никиты Тягунова «Нога».
Затем фильмография Мамонова пополнилась такими лентами, как «Терра инкогнита», «Время печали ещё не пришло», «Пыль» и «Случайный взгляд».
В 2006 году Пётр Мамонов сыграл, пожалуй, одну из лучших ролей в своей карьере. Режиссёр Павел Лунгин пригласил артиста на главную партию в своей драме «Остров». Картина удостоилась премии «Лучший фильм», а Мамонов получил приз за лучшую мужскую роль на кинофестивале «Золотой орёл 2007».
Позднее Пётр Николаевич принял участие в таких лентах, как «Царь» и «Шапито-шоу».