Peter Brook naît à Londres le 21 mars 1925, fils de deux Juifs lituaniens immigrés en Angleterre. Il fait ses études à la Westminster School, la Gresham's School et le Magdalen College où il étudie la littérature comparée. En parallèle à ses études, il écrit des scripts pour la télévision. C’est dans ce cadre qu’il réalise une adaptation cinématographique d'un roman de Laurence Sterne, A Sentimental Journey.
À l'âge de 5 ans, il met en scène en marionnettes Hamlet. Il commence sa carrière théâtrale en 1942 par une adaptation du The Tragical History of Docteur Faustus de Christopher Marlowe. Il monte à la fois des classiques (dont Shakespeare) et des pièces d’auteurs contemporains comme Jean Anouilh, Jean-Paul Sartre, Jean Genet, André Roussin et des auteurs d’avant-garde tel Peter Weiss. Il veut rapprocher le cinéma et le théâtre. Peter Brook s'inscrit, comme Giorgio Strehler ou Jean Vilar, dans le nouveau courant du théâtre, influencé par Brecht ou l'héritage de Jacques Copeau et Edward Gordon Craig. Il va travailler dans cet esprit sur des pièces de Shakespeare comme La Tempête et Hamlet. Mais il souhaite avant tout mettre en avant les œuvres moins connues de Shakespeare. À partir de 1948, il travaille au Covent Garden où il cherche des innovations en montant des opéras, par exemple Salomé (1949) de Richard Strauss. Ces expériences lui feront porter sa réflexion sur ce qu’il nomme « le théâtre mort » ou « théâtre bourgeois » (« Deadly theater »), qui a perdu tout son sens, et dont il cherchera à se démarquer. Il met en scène en 1953 pour la télévision américaine Le Roi Lear avec Orson Welles dans le rôle-titre. En 1959 il réalise une adaptation cinématographique d'un roman de Marguerite Duras, Moderato Cantabile, en 1959, avec Jeanne Moreau et Jean-Paul Belmondo.
En 1962, il crée à Londres le Roi Lear de Shakespeare, avec la Royal Shakespeare Company, et décide alors de renoncer au décor pour œuvrer dans ce qu'il appellera l’espace vide, lequel doit développer l'imagination du spectateur. Peter Brook travaillera plusieurs fois avec la Royal Shakespeare Company entre 1945 et 1979. Il poussera plus loin l’expérience en s’inspirant du "théâtre de la cruauté" d’Antonin Artaud, qui est en prise directe avec le public. Il fait montre d'engagement politique en montant Marat-Sade de Peter Weiss, et US en 1966, une pièce traitant de la guerre du Viêt Nam qui repose entièrement sur le travail d'improvisation de sa troupe. C’est à partir de ce moment qu’il se démarque définitivement du théâtre traditionnel.
En 1968, Peter Brook est invité par Jean-Louis Barrault à Paris pour participer à un atelier théâtral d’échange culturel. À partir de cela, il fonde, en 1970, le Centre International de Recherches Théâtrales (CIRT) où il va travailler avec des acteurs de différents pays et différentes cultures. Brook, qui effectue essentiellement un travail de recherche sur le théâtre, va emmener sa troupe en tournée à travers le monde à la rencontre de nouvelles cultures. Invitée en Iran par le régime du Shah, la troupe donne un premier spectacle, Orghast, en 1971. Au cours d'un voyage de trois mois et demi dans des villages d'Afrique, Peter Brook et sa compagnie découvrent de nouvelles formes de théâtre, et, entre 1973 et 1974, travaillent aux États-Unis, et rencontrent des Indiens.
En 1971, Peter Brook et la productrice Micheline Rozan découvrent dans Paris, un théâtre à l'italienne sur le point d'être démoli : le théâtre des Bouffes du Nord. Ayant le coup de foudre, Peter Brook s'y installe avec le CIRT. En 1974, le théâtre est rouvert avec la représentation de Timon d'Athènes de Shakespeare, qui attire un public nombreux. Brook a laissé la salle telle qu'il l'a découverte, dans son dépouillement. Il a fait ajouter une imposante avant-scène semi-circulaire au même niveau que les gradins sur lesquels prend place le public du parterre, pour créer un rapport de proximité entre acteurs et spectateurs. Cette salle de 500 places devient un lieu important de la création théâtrale européenne.
Brook, avec l'aide de Jean-Claude Carrière, adapte pour le théâtre, le Mahabharata, une épopée mythologique hindoue ; ce sera l'un de ses spectacles les plus impressionnants et les plus accomplis du metteur en scène. Brook mettra une dizaine d'années pour réaliser complètement ce projet, qui est représenté pour la première fois au festival d'Avignon de 1985, dans la carrière Boulbon, sur une durée de près de neuf heures. La troupe ira régulièrement en Inde afin d'y étudier la culture. Cette création semble être la synthèse du travail qu'a accompli Brook depuis des années. En 1989, Peter Brook en réalise une adaptation filmique.
Brook est un artiste complet. Que ce soit dans le domaine de l'opéra, du théâtre, du cinéma ou encore de l'écriture, son travail est admiré. Son écrit le plus connu est L’Espace vide, un essai sur la mise en scène, il a également écrit des pièces en compagnie de Marie-Hélène Estienne comme L'homme Qui en 1998. À l'opéra, sa mise en scène dUne flûte enchantée lui mérite le Molière du théâtre musical, en 2011.
Son film Tell me lies (1967), inédit sur les écrans, est diffusé en salles de cinéma à partir d'octobre 2012.
Aujourd'hui, Peter Brook est reconnu comme un véritable maître et chacune de ses créations est attendue. Il semble avoir transmis sa passion à ses deux enfants Simon Brook et Irina Brook.