1742年11月，沙俄宫廷为彼得举行仪式，宣布他公开皈依东正教。一个月后，瑞典代表团抵达俄罗斯，提议他做国王弗雷德里克一世的继承人，在未来接受瑞典王位。但是，现在接受未来的瑞典王冠为时已晚。他的叔叔、荷尔斯泰因的阿道夫·弗雷德里克成为瑞典王位的继承人，而不是他。

1751年，当彼得得知他的叔叔正式成为瑞典国王时，抱怨道：“他们把我拖进了这个该死的俄罗斯，在这里，我过得像个囚犯一样，而如果他们还我自由，现在我将坐在文明人民的王座上。”

1745年，彼得与他的远房表妹索菲亚·弗雷德里卡·奥古斯塔·冯·安哈尔特-采尔布斯特-多恩堡（Sophie Friederike Auguste von Anhalt-Zerbst-Dornburg）结婚，新娘改名叶卡捷琳娜，也皈依了东正教。她就是未来的叶卡捷琳娜二世（Екатерина II）女皇。

夫妻二人的关系，从一开始就并不顺利。直到1750年代初期，他们都没有夫妻之实。但后来彼得接受了某种手术（据叶卡捷琳娜本人在回忆录中暗示，大概是包皮环切术）。此后，叶卡捷琳娜于1754年生下了儿子保罗，未来成为沙皇保罗一世。

保罗一出生就从父母身边被带走，由女皇伊丽莎白亲自抚养他长大。然而，彼得对他的儿子从来不关心，也越来越远离他的妻子。相反，情妇伊丽莎白·沃龙佐娃（Elizaveta Vorontsova）成为他的最爱。为维护自己在宫廷里的地位，叶卡捷琳娜极力收买人心，用金钱和权力编织人际网络，为日后夺权做了铺垫。

在俄罗斯度过的这些年里，彼得没有兴趣了解这个国家、它的人民和历史；他甚至从未学过俄语，说的很少而且很差。他不情愿地改信了东正教，在教堂礼拜期间表现得不恰当，不遵守斋戒和其他仪式，引起神职人员的不满。与此同时，他公开批评俄罗斯政府的决策，并在“七年战争”期间公开表达了对普鲁士国王腓特烈二世的同情。有传言说他任由普鲁士公使发号施令，为腓特烈二世“通风报信”。

彼得的挑衅行为，不仅在宫廷中广为人知，而且流传到宫外去，令皇室颜面大损。然而，女皇尽管对外甥的敌意与日俱增，但还是选择容忍，因为他是自己的血亲和亲自挑选的继承人。

1762年1月5日[俄历1761年12月25日]，伊丽莎白女皇去世，彼得登上了皇位。他没有正式加冕，而是一心筹划对丹麦的战役，夺回石勒苏益格后加冕。

短短几个月的执政，暴露了彼得三世的矛盾本质。几乎所有同时代的人都注意到，这位沙皇性格活跃、不知疲倦、仁慈，却容易上当受骗。他没有明确的政治行动纲领，但有自己的政治愿景，并效仿其祖父彼得一世，计划进行多项改革。在彼得三世短短186天的统治时间里，通过了192份法令。他取消了贵族的服役，宣布开始教会土地世俗化进程的开始，建立国家银行和发行纸币，鼓励商业和工业活动，通过对外贸易自由的法令；下令如果地主谋杀农奴就终身流放。他还停止了对东正教旧礼仪派的迫害。彼得三世还有意按照新教模式对俄罗斯东正教进行改革，引起了东正教会的不满。

彼得·费奥多罗维奇统治期间最重要的文件是《贵族自由宣言》（Манифест о вольности дворянства）（1762年2月18日[俄历3月1日]宣言），贵族由此成为俄罗斯帝国独有的特权阶级。贵族们在彼得一世的强迫下实行全民义务兵役，终身为国家服务，先前贵族们在服役25年后才能退休，现在则获得了完全不服役的权利。除了免服兵役外，贵族还享有几乎不受阻碍地出国的权利。彼得三世统治时期的另一个特点是，农奴制的加强。虽然他下令禁止杀死农奴，但是主人可以任意地将属于他们的农民从一个地区迁移到另一个地区；农奴向商人阶层的转变受到了严格的限制；在农奴中出现了谣言，称彼得三世将会“给予农奴自由”，并因此产生骚乱，彼得三世下令镇压。

不过，比起来内政，彼得三世更关心自己的德国老家——荷尔施泰因的利益。为了与丹麦开战，夺回石勒苏益格。他决定与普鲁士结盟，他本人也打算返回老家，亲征丹麦，扬言俘虏并流放丹麦国王。

彼得三世决定让俄国退出“七年战争”，停止了对普鲁士的军事行动，并于4月24日与普鲁士国王缔结了《圣彼得堡条约》（Петербургский мирный договор），归还了东普鲁士，并放弃了战争期间的一切占领成果。俄罗斯退出战争，使普鲁士免遭失败，被称为“勃兰登堡王朝的奇迹”。彼得三世反对者称之为民族耻辱，因为这场漫长而代价高昂的战争，俄国实际上毫无收获。

彼得的举措引起了贵族、军人和东正教神职人员的一致不满。最后，当彼得三世决定将近卫军调出圣彼得堡，并派他们参加对丹麦的战役时，这成为政变的“最后一根稻草”。近卫军与叶卡捷琳娜密谋，决定推翻彼得三世，支持叶卡捷琳娜上位。

彼得三世曾多次表示，他要与妻子离婚，以便迎娶他最喜欢的情妇伊丽莎白·沃龙佐娃。面临被废和被逮捕的危险，叶卡捷琳娜决定伙同近卫军发动政变。

1762年5月，首都圣彼得堡的氛围变得十分紧张，彼得三世只得离开圣彼得堡，暂避风头。6月9日，彼得三世返回圣彼得堡，与普鲁士缔结和平条约。在晚宴上，彼得三世因琐事众辱骂叶卡捷琳娜，后者感到自己的地位受到威胁。6月28日早上，彼得三世和他的随从们从他的乡间住所出发前往彼得霍夫夏宫，以庆祝自己的命名日。前一天，圣彼得堡传出叶卡捷琳娜被捕的谣言。近卫军中开始出现骚乱，有阴谋参与者被捕；筹划政变阴谋的奥尔洛夫兄弟担心事情泄露，决定加快速度。在彼得霍夫夏宫，彼得三世没有见到自己的妻子。她本应以皇后的身份组织庆祝活动，却在一大早就和阿列克谢·奥尔洛夫一起乘坐马车逃走。她与奥尔洛夫来到圣彼得堡城内，鼓动近卫军、议会以及民众宣誓效忠“全俄罗斯的女皇和独裁者”。政变的叛军开始朝彼得霍夫行宫进发。彼得惊慌失措，在一支荷尔斯泰因小部队的帮助下，试图在一座为演习而建的玩具堡垒中保卫自己。然而，在得知叶卡捷琳娜率领的近卫军逼近后，彼得放弃了这个想法，乘船逃往喀琅施塔得海军要塞。但此时喀琅施塔得已经宣誓效忠叶卡捷琳娜。此后，彼得彻底灰心丧气，退居乡下并在那里签署了退位书。

彼得三世的死亡情况，至今扑朔迷离。政变发生后，1762年6月29日，被废黜的皇帝被阿列克谢·奥尔洛夫率领的卫兵押送到距圣彼得堡30英里的罗普沙（Ропша），一周后的7月6日去世。根据官方说法，死因是痔绞痛，长期饮酒和腹泻会加重病情。在叶卡捷琳娜下令进行的尸检中，发现彼得三世有严重的心脏功能障碍、肠道炎症和中风的迹象。但是，很多人都认为彼得三世被暴力杀害，阿列克谢·奥尔洛夫被指责为凶手。这个版本是根据奥尔洛夫从罗普沙写给叶卡捷琳娜的信改编的，如今这封信只有叶卡捷琳娜的宫廷侍从罗斯托普钦（Ф.В.Ростопчин）留下的抄本。据说原件在保罗一世皇帝统治的最初几天就被毁掉了。一些历史和语言学家研究认为，这封信是罗斯托普钦伪造的。

最初，彼得三世被埋葬在亚历山大·涅夫斯基修道院。1796年，叶卡捷琳娜女皇驾崩后，他的儿子保罗一世在12月18日亲自主持葬礼，将父亲的骨灰加冕为沙皇，把它与叶卡捷琳娜二世一同下葬彼得和保罗大教堂。

彼得三世最出名的事迹，是对普鲁士的崇拜。他热爱普鲁士，崇拜普鲁士国王腓特烈二世，一当上沙皇便决定退出“七年战争”，与普鲁士讲和，并放弃全部战果。俄罗斯历史学家阿尼西莫夫（Анисимов）认为，彼得三世在七年战争期间的外交政策被证明是一场灾难，其在欧洲影响力的崩溃堪比克里米亚战争、俄国十月革命和苏联解体。

在所有被人冒充的过世君主里，彼得三世是绝对的记录保持者，有大约四十人冒充他。因为他的离奇死因，加之叶卡捷琳娜二世在位期间大肆开疆拓土，使得大量对她心怀不满的逃兵和破产者打着彼得三世的旗号反对叶卡捷琳娜。

1764年，一个破产的亚美尼亚商人扮演了假彼得的角色。他在库尔斯克持假护照被拘留后，宣布自己为皇帝，并试图煽动人民支持他。他受到鞭打的惩罚，并被永久流放到远东。此后不久，一个逃亡的新兵盗用了他的名字，试图在下诺夫哥罗德省和切尔尼戈夫地区的农民中发动起义。1765年，沃罗涅日省又有一位开小差的逃兵冒充他，并拉起了一支约五千人的队伍，然而很快被打散。此人被俘并被流放到远东。不久后，又有一个逃兵在在乌克兰试图冒充他。在国外，彼得三世至少四次被人冒充。其中斯捷潘·马利（Stepan Maly）取得了相当大的成功。1766年，他在黑山自称彼得三世，开始统治黑山人，直至1773年死于刺客之手。在叶卡捷琳娜统治时期，冒名顶替者层出不穷，最后一个冒充者于1797年被捕，而叶卡捷琳娜在前一年去世。

在所有的冒名顶替者中，影响力最大的是叶梅利安·普加乔夫（Емельян Пугачёв）。他在1773年至1775年间发动了声势浩大的“普加乔夫起义”，这是俄国历史上最大规模的农民起义。

彼得三世的老师，俄罗斯科学院院士雅各布·斯塔林（Jacob Staehlin）这样评价他：“”他非常机智，尤其是在争论中。……他本性和判断力很好，但对感官享乐过于执着，令人不安，因此他不喜欢深入思考。他记忆力非常好，连最细节的部分都能记得很清楚。他乐于阅读游记和军事书籍。……他关于信仰的思想，更多的是新教，而不是俄罗斯的；因此，我很早就警告他，不要表现出这样的想法，要对崇拜和信仰仪式表现出更多的关注和尊重，……他总是随身带着一本德文圣经和一本基尔的祈祷书，其中他熟记了一些最好的灵歌。他害怕电闪雷鸣。他嘴上说着，一点也不害怕死亡，但事实上他却对任何危险都感到害怕。他经常吹嘘自己不会在任何战斗中落伍，如果一颗子弹击中他，他确信那是命中注定的。”

普鲁士驻俄国特使冯·马德菲尔德男爵（von Mardefeld）在1746年向俄罗斯宫廷提交的一份报告中说：“”大公已经十九岁了，他还是个孩子，性格尚未确定。有时他会说一些明智甚至尖锐的话。过了一会儿，你又会很容易把他误认为一个正在恶作剧的十岁孩子……他屈服于自己所有的不良倾向。他固执、不屈、冷酷无情、酗酒好色，一段时间以来，他的行为已经开始像个粗鲁的恶棍了。他毫不掩饰自己对俄罗斯民族的厌恶……如果女皇命令他，而他不喜欢，那么他就会反抗，然后她会不高兴地重复命令，有时还会威胁，这就是为什么他不耐烦，想摆脱这个枷锁，但他又不肯，也没有足够的实力付诸实施。从表面来看，他声称热爱战争，并以国王（腓特烈二世）为榜样，钦佩他伟大而光荣的事迹，他不止一次告诉我：‘Sie haben einen grossen König,ich werde es machen wie er , nicht zu Hause still satzen bleiben.（你有一位伟大的国王，我会像他那样做，而不是安静地坐在家里。）’然而，就目前而言，这种军事热情仅限于儿童娱乐。……他自己组建了一个走狗连，其中男仆充当士官，而内侍和侍从则充当担任军官的角色。学员在他的指挥下进行各种演习。”

彼得三世死后，先被葬在亚历山大·涅夫斯基修道院，后改葬于彼得和保罗大教堂。