Di origine ceca come Bela Lugosi - con il quale, insieme a Boris Karloff, rappresenta l'horror in bianco e nero - Lorre nacque nel 1904 a Rosenberg, (all'epoca nel regno austro-ungarico, oggi nella Repubblica Ceca), e il suo vero nome era Laszlo Lowenstein. Divenne impiegato di banca, con davanti una rispettabile carriera a Vienna, ma mollò tutto e si avvicinò al teatro. Trovò facilmente spazio nella Svizzera tedesca, in Austria e in Germania, ma sempre in ruoli di comprimario. Nel 1924, a Berlino, ottenne la parte di protagonista, un maniaco sessuale, nell'opera intitolata Pioniere in Ingolstadt.
Nel 1931 Fritz Lang gli offrì il ruolo di protagonista nel film M - il mostro di Duesseldorf (M), un maniaco stupratore di bambine, e questa sua prima apparizione al cinema segnò per sempre il suo destino. Poco prima, curiosamente, aveva interpretato Un uomo è un uomo (Mann ist Mann, 1931) di Brecht.
Nel 1934, dopo una serie di film tedeschi che gli diedero il passaporto per Hollywood, Alfred Hitchcock lo chiamò in Inghilterra per interpretare il crudele assassino professionista nel film L'uomo che sapeva troppo (The Man Who Knew Too Much, 1934) e la spia travestita da generale messicano pazzo nel film Amore e mistero (Secret agent, 1936). Peter Lorre non era un attore di film horror ma una maschera da 'cattivo', come il dottore pazzo in Amore folle (Mad love, 1935) di Karl Freund o come Raskolnikov in Ho ucciso (Crime and punishment, 1935).
In seguito Hollywood lo calò nel personaggio di Mister Moto, detective giapponese acuto e ingegnoso sul genere di Charlie Chan, protagonista di otto film gialli di serie B. Registi intelligenti riscoprirono le sue doti di caratterista come John Huston in Il mistero del falco (The maltese falcon, 1941), in cui l'attore è uno sdolcinato gangster, come Michael Curtiz in Casablanca (id., 1942) che gli affida il ruolo di un modesto avventuriero e come Frank Capra in Arsenico e vecchi merletti (Arsenic and old lace, 1944), in cui Lorre è un medico satanico.
Dopo la guerra interpretò numerosi film mediocri, gialli e qualche horror. Fu lui stesso invece a interpretare e dirigere un film in cui le sue enormi potenzialità riemersero: Der Verlorene del 1951, storia di un criminale complice e vittima del nazismo, quasi l'ombra dell'incancellabile M. Lorre morì nel 1964 a Los Angeles per un attacco cardiaco.