Tėvai: Antanas Matulionis (1875–1941) – tarnautojas raštininkas ir Teofilija Sklėriūtė-Baronienė-Matulionienė (1874–1941) – žemdirbė ūkininkė, abu nužudyti kartu su žydais vokiečių okupacijos pradžioje 1941 m. liepą. Augo su seserimi iš motinos pirmosios santuokos Anatolija Baronaite-Poletajeva (1901–1962) – valstybės tarnautoja ir keturiais broliais, buvo jauniausias. Broliai: Robertas Matulionis (1910–1990) – hidrotechnikas, Algirdas Matulionis (1911–1980) – miškininkas, Eduardas Matulionis (1912–1987) – tarnautojas ir Alfonsas Matulionis (1916–1983) – tarnautojas. Dėdės (motinos broliai) Kajetonas Sklėrius (1876–1932) – dailininkas, Alfonsas Sklėrius (1890–1943) – kariškis, Povilas Sklėrius (1898–1979) – mokslininkas inžinierius, pusseserė (motinos sesers duktė) Elena Viktorija Nakaitė-Arbienė (1915–2011) – rašytoja, pusbrolis (tėvo brolio sūnus) Jonas Kastytis Matulionis (1931–2015) – kunigas, dainininkas, disidentas Lietuvos katalikų bažnyčios kronikos leidėjas.

1920 m. su šeima grįžo į Lietuvą ir apsistojo motinos tėviškėje Kunigiškiuose (Anykščių r.), kur užaugo. 1933–1939 m. mokėsi Rokiškio gimnazijoje. 1934 m. susižavėjęs pogrindinę revoliucine veikla, įsitraukė į nelegalų revoliucinį judėjimą, nuo 1936 m. buvo komunistinio jaunimo organizacijos narys, nuo 1939 m. – komunistas pogrindininkas. 1937–1939 m. jis buvo pogrindinės komjaunimo kuopelės, veikusios Rokiškio gimnazijoje, sekretorius.

1939–1941 m. P. Matulionis studijavo Kauno Vytauto Didžiojo universitete inžineriją. Studijų metais jis dalyvavo marksistinės studentų organizacijos "Scientia" veikloje, o kai ji buvo uždrausta, įsteigė naują prorusišką studentų draugiją "Kultūra".

Antrojo pasaulinio karo pradžioje 1941 m. vasarą jis kartu su broliais pasitraukė į Rytus. 1942–1958 m. jis tarnavo Raudonojoje armijoje, nuo 1942 m. 16-ojoje lietuviškojoje divizijoje dirbo politinį darbą.

1950 m. jis baigė studijas Maskvos (Rusija) Lenino karinėje-politinėje akademijoje. 1951–1956 m. jis tarnavo Pabaltijo karinės apygardos politinės valdybos inspektoriumi, nuo 1954 m. buvo papulkininkis.

Paleistas į atsargą, P. Matulionis nuo 1958 m. gyveno Vilniuje ir dirbo administracinį darbą.

1965 m. jis baigė studijas Kauno politechnikos instituto Vilniaus filiale, įgijo inžinieriaus išsilavinimą.

Nuo 1973 m. P. Matulionis dirbo Vilniaus Radijo komponentų gamykloje inžinieriumi-konstruktoriumi, kol išėjo į pensiją.

Buvo vedęs, žmona Marija Pankrašovaitė-Matulionienė (1922–2012). Užaugino tris vaikus: Robertas Matulionis (g. 1947 m.) – tautodailininkas skulptorius ir keramikas, Vygandas Matulionis (1950–2021) – statybininkas ir Dalia Matulionytė-? – istorikė.

Mirė 2000 m. Vilniuje. Palaidotas Vilniaus Sudervės kapinėse (36 sektorius, 17 eilė, 9 kapas). Kapą ženklina rausvo akmens paminklas su iškaltu įrašu: "Matulioniai / Petras 1919–2000 / Marija 1922–2012".