Peter Stormare est né à Kumla, Närke en Suède et a grandi à {{lien}}, Hälsingland. Il choisit son pseudonyme quand il se rend compte qu'il porte le même nom qu'un de ses collègues plus âgé dans son cours d'acteurs. De même que storm (qui, en anglais comme en suédois, signifie tempête, orage, dispute ou assaut), stormare est un mot suédois qui veut dire stormer en anglais, qui pourrait se traduire par assaillant ou enragé en français. Avant de se décider pour Stormare, il aurait envisagé brièvement d'adopter {{nobr}} qui est l'écriture inversée de son nom de naissance.
De formation théâtrale, Peter Stormare joue pendant une quinzaine d'années au Théâtre national de Suède et participe à cinq grandes tournées internationales dirigées par le metteur en scène suédois Ingmar Bergman : Hamlet, Long day's journey into night, Mademoiselle Julie, Le Roi Lear et Les Bacchantes. Sa première apparition au cinéma dans un film connu remonte à 1982 où il interprète un petit rôle dans Fanny et Alexandre d’Ingmar Bergman. Il joue aussi en 1986 dans {{lien}}, un drame de l’islandais Lárus Ýmir Óskarsson. Enchaînant les petits rôles dans quelques longs métrages suédois comme {{lien}} (1991) de la danoise Susanne Bier, il s'installe aux États-Unis en 1992.
Ayant préalablement incarné un spécialiste en neurologie dans L'Éveil (1990) de Penny Marshall, Peter Stormare donne la réplique à Jeremy Irons et Juliette Binoche dans le drame Fatale (1992) de Louis Malle. C'est en 1996 qu'il accède véritablement à la consécration grâce à sa prestation de Gaear Grimsrud, le complice psychopathe de Carl Showalter (interprété par Steve Buscemi), dans Fargo des frères Joel et Ethan Coen. Il tourne à nouveau sous leur direction en 1997 dans The Big Lebowski.
Son physique imposant et sa mine patibulaire lui permettent d'incarner des personnages inquiétants comme un mystérieux homme de main dans Code Mercury (1998) de Harold Becker, un trafiquant de snuff movies dans {{nobr}} (1999) de Joel Schumacher ou encore un ami peu recommandable dans Bruiser (2000) de George A. Romero.
Peter Stormare tourne avec les plus grands réalisateurs hollywoodiens, comme Steven Spielberg qui le dirige dans Le Monde perdu : Jurassic Park (1997) et Minority Report (2002), Michael Bay (Armageddon, 1998 ; Bad Boys 2, 2003), ou encore John Woo (Windtalkers, 2002). Parallèlement à sa carrière américaine, il continue à jouer sous la direction de cinéastes européens comme l'Allemand Wim Wenders (The Million Dollar Hotel, 1999), le Danois Lars von Trier (Dancer in the Dark, 2000) et le Suédois Lasse Hallström (Le Chocolat, 2001). L'année 2005 est particulièrement chargée avec des rôles dans Constantine, 2001 Maniacs et Les Frères Grimm.
Plutôt rare sur le petit écran, l'acteur accepte une apparition en guest-star dans Joey en 2004 avant de se laisser enfermer dans le pénitencier de Prison Break (2005). Il y incarne un dangereux chef de la mafia, John Abruzzi, qui purge une peine de 120 ans d'emprisonnement, et qui profite du plan de Scofield (Wentworth Miller) pour tenter de s'évader.
Il poursuit également une carrière musicale avec son groupe de rock Blonde From Fargo. En 2008, il a prête sa voix à un scientifique russe dans les cinématiques du jeu Command and Conquer : Alerte rouge 3.
Peter Stormare (à droite) en compagnie de l’acteur suédois {{nobr}}, pour la première de {{nobr}} à Stockholm le {{date-}}. En 2010, il joue le rôle d'un haut officier allemand dans le clip du groupe de métal suédois Sabaton, dans la chanson Uprising.
En 2015, il prête sa voix et ses traits pour le jeu-vidéo Until Dawn dans lequel il incarne le Dr. Hill.