В 1943 году Пётр Вельяминов был арестован и несправедливо обвинён в участии в «антисоветской организации». Из-за этого десять лет он провёл в лагере и был реабилитирован в лишь 1984 году – спустя тридцать два года после освобождения. Поселился в Абакане (ему было запрещено проживать в крупных городах), не имея актёрского образования начал работать в драматическом театре. У Вельяминова был лишь небольшой опыт участия в школьной и лагерной самодеятельности. Сам Пётр Сергеевич говорит, что его театральным университетом был лагерь, где он и учился актёрскому мастерству. В театре Вельяминов обучался ремеслу у профессиональных режиссёров и актёров со схожей судьбой. В 1955 году Пётр Сергеевич начал работать в Тюменском областном драматическом театре. В 60-х Вельяминов играл в Дзержинском, Новочеркасском, Чебоксарском, Ивановском театрах.
В 1971 году он снялся в кинофильме «Тени исчезают в полдень» режиссёров Ускова и Краснопольского в роли Захара Большакова, эта работа принесла актёру огромную славу. В 1972 Петра Вельяминова пригасили в Московский театр «Современник». Тогда же он сыграл командира подводной лодки в героико-приключенческой ленте «Командир “Счастливой Щуки”». После премьеры фильма актёр решил оставить театр и полностью посвятить себя кино.
Роль Кружилина в телеэпопее «Вечный зов» имела головокружительный успех. Актёр известен и ролями в киноповести «Иванов катер», мелодраме «Сладкая женщина», драме «Опасные друзья». В 1979 году Вельяминов снялся в фильме «Пираты XX века», а в 80-е годы он сыграл главные роли в кинокартинах «Возвращение резидента», «Ночное происшествие», «Железное поле», «Конец операции “Резидент”», «Ярослав Мудрый» и в других. Даже в застойные 90-ые годы у актёра были удачные работы: «Серые волки», «Ермак». В последние десять лет Пётр Сергеевич крайне редко выходил на сцену. Последней его работой стала роль в историко-биографическом фильме «Луна в зените».
Актёр был трижды женат.
Пётр Вельяминов умер 14 июня 2009 года. Похоронен на Волковском кладбище Санкт-Петербурга.
