Петр Николаевич Лебедев родился в 1866 году в купеческой семье. Высшее образование получал в Московском высшем техническом училище, где он в совершенстве изучил токарное и слесарное ремесла и научился проектировать сложные приборы, что очень помогло ему впоследствии при конструировании экспериментальных установок.
Однако интерес к физике победил, и в 1887 году, не закончив Технического училища, Лебедев направился в Германию, в лабораторию известного немецкого физика .
В 1891 году Лебедев пишет диссертацию о диэлектриках. Одновременно ученый задается вопросом о причинах появления кометных хвостов при приближении комет к Солнцу. Именно тогда он приходит к идее, которая впоследствии принесла ему мировую славу. Лебедев ставит вопрос о давлении лучистой энергии и о возможности экспериментального его доказательства.
В 1891 году Лебедев по приглашению А.Г. Столетова возвратился в Москву и стал ассистентом в физической лаборатории Московского университета. В тесном, плохо приспособленном помещении он развернул работы по исследованию влияния электромагнитных, гидродинамических и акустических волн на резонаторы. За эти работы Лебедеву в 1899 году была присуждена (без защиты магистерской диссертации) степень доктора физико-математических наук, а в 1900 году он стал профессором Московского университета.
К этому времени он уже успел приобрести известность и опыт как один из первых исследователей, опиравшихся на теорию Дж. К. Максвелла. Развивая работы Г. Герца, подтвердившего на опыте существование электромагнитных волн, Лебедев создал установку для генерирования и приема электромагнитного излучения с длиной волны 6 и 4 мм, исследовал отражение, преломление, поляризацию, интерференцию этих волн и другие явления. Результаты, полученные Лебедевым, явились еще одним веским подтверждением теории Максвелла.
В 1900 году Лебедев поставил свои знаменитые опыты, в которых он с помощью мастерски изготовленных, хотя и достаточно скромных приборов подтвердил теоретическое предсказание Максвелла о давлении света.
Знаменитый физик У. Томсон, больше известный как лорд Кельвин, в честь которого названа шкала абсолютных температур, признался: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавал его светового давления, и вот... своими опытами Лебедев заставил меня сдаться».
Изучение давления света на газы побудило Лебедева заинтересоваться происхождением хвостов комет.
В 1900 году Лебедев опубликовал первое сообщение о положительных результатах своих опытов над давлением света на твердые тела, в 1901 году - классическое ''Опытное исследование светового давления''. Лишь в 1910 году, после бесчисленного множества опытов, после того, как одних окончательных приборов было им построено и исследовано более 20, Лебедев доказал давление света на газы (''Журнал Русского Физико-химического Общества'', 1910 год).
В 1911 году Лебедев, как и многие другие профессора Московского университета, оставил университет в знак протеста против действий министра просвещения, ограничивающих права университета. На частные пожертвования была организована новая физическая лаборатория, куда и перешел Лебедев со своими учениками. Последние годы Лебедев много работал над вопросом о движении земли в эфире, пытался выяснить причины земного магнетизма и высказывал чрезвычайно смелые оригинальные идеи по этому вопросу.
Лебедев страдал болезнью сердца и однажды, еще сравнительно молодым, испытал клиническую смерть, но тогда удалось вернуть его к жизни. Лебедев скончался 14 марта 1912 г. от болезни сердца. Прожил он всего 46 лет.
Лебедев создал целую школу физиков. В 1905 году в его лаборатории работали около двадцати молодых ученых, которым суждено было сыграть видную роль в развитии физики в России.
Именем П. Н. Лебедева назван Физический институт Российской Академии наук в Москве.