Граф П. М. Орлов-Денисов родился 2 мая в 1852 г. в семье графа Михаила Васильевича Орлова-Денисова и Елены Ивановны, дочери И. Д. Черткова, внучки графа Г. А. Строганова. Этой семье принадлежал Графский пруд в Коломягах. Его сестра Мария была замужем за известным виноделом Л. С. Голицыным.
Воспитывался в Пажеском корпусе и, пожалованный 21 июля 1870 г. в камер-пажи, в следующем году был произведён в корнеты с назначением в Кавалергардский полк. Переведённый 20 апреля 1875 г., с чином поручика в Лейб-гвардии Казачий полк, он был назначен полковым адъютантом, 8 декабря 1876 г. назначен во флигель-адъютанты к императору Александру II. После смерти своей жены, дочери князя Г. Г. Гагарина, граф Орлов-Денисов отправился волонтёром в Кавказскую армию и совершил с нею поход в Азию (во время русско-турецкой войны 1877-1878 гг.), во время которого обратил на себя особое внимание графа Лорис-Меликова своей выдающейся храбростью и распорядительностью. За боевые отличия, выказанные в эту кампанию, граф Орлов-Денисов был награждён золотым оружием с надписью «за храбрость» и орденом св. Владимира 4-й степени с мечами и бантом.
По окончании войны он возвратился в Санкт-Петербург и вскоре был командирован в Астраханскую губернию для борьбы со свирепствовавшей чумной заразой. По прекращении эпидемии и по возвращении в Петербург, граф Орлов, согласно его желанию, был зачислен в действующий корпус генерала Скобелева, сняряжавшийся в Ахал-текинский поход. С первых же стычек с текинцами, он зарекомендовал себя храбростью и распорядительностью; Скобелев, поначалу скептически относившийся к Орлову-Денисову, доверил ему командование Таманским казачьим полком; Пётр Михайлович особо отличился при штурме 20 декабря 1880 года укреплённой деревни Янги-Кала. При общем штурме Геок-Тепе Орлов-Денисов находился в колонне полковника Козелкова и был смертельно ранен, 26 января 1881 года умер, на 29-м году от рождения.
Тело его было перевезено в Петербург и похоронено на Тихвинском кладбище Александро-Невской лавры. С датой смерти Орлова-Денисова имеются разночтения: так «Русский биографический словарь» А. А. Половцова утверждает, что Орлов-Денисов умер 26 января; в «Списке лиц свиты Их Величеств…» составленном графом Г. А. Милорадовичем называется другое число - 29 января. Верной принято считать дату 26 января как указанную на надгробном памятнике и упомянутую в 3-м томе «Петербургского некрополя» за 1912 г.