Петр Нилович Демичев родился в 1918 году в семье рабочего. Учился в технологическом техникуме, в 1937-1944 годах служил в Красной армии; в 1944 году окончил Московский химико-технологический институт имени Менделеева, где некоторое время занимался научной и педагогической работой. Впоследствии заочно закончил Высшую партийную школу при ЦК КПСС.

В 1958-59 годах Демичев был Управляющим делами Совета министров СССР, в 1959-60 - Первым секретарем московского обкома. В 1960-1962 годах Демичев был Первым секретарем горкома КПСС. Находясь на этой должности, Демичев выступил на XXII съезде КПСС и от имени московской делегации поддержал предложение о выносе саркофага с гробом Сталина из Мавзолея. Он был доверенным лицом Брежнева при подготовке смещения Хрущева в октябре 1964 года.

С 1962 по 1974 годы был секретарем ЦК КПСС, с 1963 года курировал химическую промышленность, затем - вопросы идеологии, истории и культуры. В 1967 году на обсуждении Александра Солженицына в Секретариате ЦК КПСС сказал, что это "свихнувшийся писатель", и что "с ним надо повести решительную борьбу".

В 1974 году после смерти Екатерины Фурцевой занял пост министра культуры, хотя признавался, что не очень сведущ в этой сфере. В 1986-1988 годах был первым заместителем председателя президиума Верховного Совета СССР. В октябре 1988 года вышел на пенсию.