Учился в Пажеском корпусе Петрограда, Инженерной химической школе (Лилль), Страсбургском университете (доктор наук, 1930).Пётр Грабарь родился в семье потомственного дворянина. Его отец — Николай Грабарь — сенатор, советник Кассационного суда в Санкт-Петербурге, мать — баронесса Елизавета Притвиц. Брат — Андрей Грабарь — специалист в области древнехристианского и византийского искусства (профессор Коллеж-де-Франс, действительный член Французской Академии наук).
В эмиграции с 1919 года. После учёбы переехал в Страсбург, где получил должность заведующего лабораторией клинической медицины в Страсбургском университете (1926—1930). 1930-38 — ассистент кафедры биохимии. Как ученый формировался под влиянием профессора медицинской химии Леона Блюма: П. Грабарь изучал биохимические свойства патогенеза диабета, разрабатывал методы очистки инсулина.
В 1942 — защитил в Сорбонне вторую докторскую диссертацию на тему: «разработка метода ультрафильтрации белков» .
В 1938 — возглавил лабораторию в Институте Пастера в Париже. Для усовершенствования знаний по иммунохимии стажировался в США у основоположника этого направления науки М. Гейдельбургера. Именно тогда П. Грабарь из биохимика и физико-химика переквалифицировался в иммунолога. 1946-68 — заведовал Отделом химии микробов в Институте Пастера.
В 1960 — назначен директором Института по изучению рака в Национальном центре научных исследований Франции в Вильжуифу. П. Грабарь предложил онкологам несколько методов диагностики ряда форм раковых новообразований. Будущее развитие науки подтвердил большую перспективность исследовательской программы ученого в области онкоиммунологии.П. Грабарь, как ученый, имел высокий международный авторитет.
На 1-м Международном конгрессе иммунологов (США, 1971) он был назван в числе 5-ти самых выдающихся иммунологов мира. Его монография «Иммуноэлектрофоретический анализ» (соавтор П. Буртен) переведена на многие языки. Учёный — основоположник Французского общества иммунологов[fr], многолетний его президент.