Peter Lohmeyer wurde als jüngstes von drei Kindern des evangelischen Pfarrers Dieter Lohmeyer (1930–2012) und dessen Frau Walpurg (Walburga) Gerhild Elisabeth, geb. Husemeyer (1931–2020), in Niedermarsberg im Sauerland geboren und wuchs überwiegend im Ruhrgebiet auf.[2][3] Bedingt durch den Beruf des Vaters zog die Familie oft um. Von 1972 bis 1974 besuchte Lohmeyer das Albrecht-Dürer-Gymnasium in Hagen, von 1974 bis 1976 das Eberhard-Ludwigs-Gymnasium in Stuttgart und von 1976 bis 1981 das Stadtgymnasium Dortmund.[4] Er erhielt von 1982 bis 1984 Schauspielunterricht an der Westfälischen Schauspielschule in Bochum und verließ sie ohne Abschluss.[5] Sein Bühnendebüt gab er in Was heißt hier Liebe am Schauspielhaus Bochum. Danach spielte er an Theatern in Düsseldorf, Stuttgart, Hamburg und am Schillertheater (Berlin). Im Jahre 2009 kehrte er für eine neue Bühnenfassung von Menschen im Hotel ans Bochumer Schauspielhaus zurück. Seine erste Rolle in einem Fernsehfilm übernahm er 1983 in Der Kampfschwimmer, anschließend spielte er in Alles Paletti mit. Sein Filmdebüt gab er 1988 in Tiger, Löwe, Panther. Bekannt wurde er mit Die Straßen von Berlin (1995 bis 1998) und Das Wunder von Bern (2003, von Sönke Wortmann).
Lohmeyer ist Fußballfan. Aus seiner Zeit in Hamburg-Ottensen ist er Anhänger des Clubs Altona 93. In seinen NDR-Promotionfilmen läuft er in einem Trikot dieses Traditionsvereines.
Er ist Fan des FC Schalke 04. Er war 2004 Sprecher im Film 100 Schalker Jahre und ist auf der CD Schalkes Best Of mit dem Musiktitel Schalke, Du bist ein Teil von mir vertreten. Lohmeyer hat seit 2008 an allen bisherigen Events des Benefizfußballspiels Kicken mit Herz in Hamburg teilgenommen.[8]
Er ist berufenes Mitglied der Deutschen Akademie für Fußball-Kultur[9] und war 2010 Laudator und Jurymitglied des Fanpreis des Jahres beim Deutschen Fußball-Kulturpreis.[10] Im August 2019 trat er aus dem Verein FC Schalke 04 aus, um gegen den vereinsinternen Umgang mit als rassistisch kritisierten Aussagen des damaligen Aufsichtsratsvorsitzenden Clemens Tönnies zu protestieren.[11]
Lohmeyer unterstützte als Botschafter die Initiative Respekt! Kein Platz für Rassismus und war Mitherausgeber des zu dieser Initiative erschienenen Bildbandes Respekt! 100 Menschen – 100 Geschichten.[13] Lohmeyer war oder ist einer der Schirmherren des gemeinnützigen Vereins Placebo Kickers Hamburg e. V.[14] und unterstützte das Bauvorhaben des 2016 eröffneten Konzerthauses Anneliese Brost Musikforum Ruhr.[15]
Peter Lohmeyer war 2004 Teilnehmer bei der VOX-Spendenaktion „Gib mir fünf“ zugunsten der Hilfsorganisation der SOS-Kinderdörfer. Er spendete 2005 ein selbst gemaltes Bild im Rahmen der Initiative SOS-Kunststück. Außerdem unterstützte er die SOS-Aktion „6 Dörfer für 2006“ und setzte sich für den Bau des SOS-Kinderdorfes Dorfes im mexikanischen Morelia ein. 2014 unterstützte er gemeinsam mit anderen Prominenten die Benefiz-Vorpremiere Das Wunder von Bern.[16]
Lohmeyer ist Mitglied der Deutschen Filmakademie.[17]