Il "middle name", come lo chiamano negli Stati Uniti, non mente. Peter Fonda è figlio dell'attore Henry Fonda e della "finanziera" Frances Ford Seymour, coniugi poi separatisi. Fratello giovane dell'attrice Jane Fonda, Peter cresce in un ambiente artistico e poliedrico e dimostra ben presto attitudini anticonformiste. A undici anni, nel giorno del suo compleanno, si spara accidentalmente nello stomaco e va vicino alla morte. Studia recitazione a Omaha, Nebraska, la città natale del padre. Frequenta l'Università locale e si aggrega alla Omaha Community Playhouse, trampolino di lancio di molti attori, compreso il genitore e Marlon Brando.
Successivamente, Fonda trova lavoro a Broadway ma ben presto si trasferisce a Hollywood: vuole fare cinema e, presumibilmente, soldi. Comincia la carriera con ruoli romantici, debuttando in Tammy and the Doctor (1963). Il suo vigore impressionò il regista Robert Rossen, che gli aveva inizialmente preferito un attore ebreo, conquistandosi letteralmente il ruolo di un malato di mente togliendo gli occhiali dalla faccia del regista e mettendoseli sulla sua, per sembrare più 'ebreo'.
Dalla metà degli anni Sessanta, consolida la sua reputazione di "dropout", tanto sul set quanto fuori. Si aliena dal conformismo della Film Industry losangelina, diventando un ribelle figlio della sua epoca: lascia crescere i capelli ma le chiamate ufficiali iniziano a scarseggiare. Nell'agosto del 1965, tramite l'amicizia con uno dei membri della banda dei Byrds, Fonda fa visita ai Beatles, nella loro casa affittata a Benedict Canyon, Los Angeles. Sotto l'influenza dell'LSD, Fonda dice di "sapere come ci si sente a essere morto" ("I know what it's like to be dead"). La frase diventa la tag line per la canzone "She Said She Said", inclusa nel rivoluzionario album "Revolver" (1966).
1966, anno del suo arresto durante la rivolta antibellica a Sunset Strip, sedata con la violenza da parte del Los Angeles Police Department. Fonda fa parte integrante della controcultura hippy e la conseguenza diretta, per la sua carriera, è l'interpretazione di Heavenly Blues, il protagonista del film che Roger Corman dedicò al movimento e alla cultura degli Hells Angels, The Wild Angels (1966). Nonostante il film è un mezzo fiasco, Fonda riceve il suo primo salario importante: 10.000 dollari.
Sempre per Corman, alla cui Factory si lega, Fonda è interprete di The Trip (1967). Prodromi di un successo planetario: nel 1968, Fonda scrive (con Terry Southern e Dennis Hopper), produce e interpreta (con Jack Nicholson e sempre Hopper) Easy Rider, il film del Sessantotto per antonomasia. Gli ideali dell'era dell'Acquario si scontrano con la violenza e l'intolleranza di un'America vittima di sé stessa e dei suoi empiti imperialisti. Anni duri, di guerre e contestazioni, quelli della guerra del Vietnam: Easy Riderè un resoconto, incosciente ma profetico (anche se oggi piuttosto datato), dell'epoca, fra goliardia, ignoranza e morti ammazzati. Fonda vi interpreta Captain America, e diventa un simbolo vivente, con il suo Chopper perennemente in moto e la bandiera americana tatuata sul dietro della sua giacca di pelle. Dennis Hopper, regista del film, gli fa il paio, in un rondò ambiguo di amicizie ed esperienze reali trapiantate sul set (la figura di Jack Nicholson, che qui emerge come attore; la sequenza lisergica a New Orleans; il finale amaro...).
Il film, costato 375 mila dollari, esce nel 1969 ed è il trionfo di pubblico e di critica. Fonda, come Hopper, è sulla ribalta e, di fatto, nella condizione di poter fare ciò che vuole. Si separa creativamente da Hopper, che si infila nell'odissea produttivo-creativa di The Last Movie, e decide che è tempo di passare dietro la macchina da presa.
È il 1971 e gira il dolente westernIl ritorno di Harry Collings, che interpreta anche insieme a Warren Oates, Verna Bloom e il poeta della 'Beat Generation' Michael McClure. Il film, pur sbilenco e ambizioso come il suo autore/attore, non riceve attenzione ma è, in realtà, un'interessantissima variazione, dal coinvolgimento assolutamente personale, su tematiche tipiche del western e della cultura americana tutta.
La promessa Fonda diventa personalità a doppio taglio e gli Studios iniziano a dubitare della sua affidabilità, umana e produttiva. Non diventa mai personaggio scomodo, ma non ha neanche la carriera che ci si poteva aspettare dall'autore di Easy Rider. Appare molto e con registi importanti (da Jonathan Demme a Steven Soderbergh), ma non conosce più la gloria della celebrità unanime. Conosce la caduta e, in parte, l'oblio, dopo aver vissuto la fama. Anche in questo, Peter Fonda è cultura americana allo stato puro.
Nel 1997, invecchiato e più consapevole, ha la seconda chance: vince un Golden Globe per la sua interpretazione di apicoltore silenzioso e malinconico nel prezioso e poco visto L'oro di Ulisse. Nel settembre del 2007, Fonda - padre dei due attori Bridget e Justin - ha messo all'asta i cimeli di Easy Rider, prestando poi la sua partecipazione al film motociclistico Ghost Rider e al remake del western Quel treno per Yuma.

Peter Fonda muore il 16 Agosto 2019 nella sua casa a Los Angeles, a causa di un'insufficienza respiratoria dovuta ad un cancro ai polmoni, nel dispiacere generale espresso dalla sua famiglia.