Окончил музыкальную школу имени Гнесиных, затем училище Ипполитова-Иванова по классу скрипки, а также филологический факультет Московского педагогического института им. Ленина. Выпускник режиссерского факультета ГИТИСа (1961 год, курс Н.М. Горчакова, мастера курса — Н.П. Охлопков и А.А. Гончаров). По окончании ГИТИСа работал в различных московских театрах: Центральном детском театре, Театре на Малой Бронной, театральной студии МГУ «Ленинские горы», Московском драматическом театре имени Вл. Маяковского, Театре драмы и комедии на Таганке. В 1966 году в театре им. Маяковского П.Н. Фоменко выпустил знаменитый, насквозь пронизанный абсурдом и жестокостью российского бытия, спектакль — «Смерть Тарелкина» по пьесе Сухово-Кобылина.

В 1970-е годы многое работал в Ленинградском театре Комедии (в 1977—1981 годах — главный режиссер этого театра). Здесь им были выпущены спектакли: «Этот милый старый дом» по А.Н. Арбузову, «Троянской войны не будет» Ж. Жироду, «Старый Новый год» М.М. Рощина, «Мизантроп» Ж.-Б. Мольера, «Лес» А.Н. Островского, «Свадьба. Юбилей» А.П. Чехова, «Сказка Арденского леса» У. Шекспира и другие. Параллельно ставил спектакли в Москве («Любовь Яровая» К.А. Тренёва в Малом театре и др.), плодотворно работал на Центральном телевидении. С начала 1980-х годов вновь работает в Москве («Плоды просвещения» Л.Н. Толстого в Театре им. В.В. Маяковского; «Дело» А.В. Сухово-Кобылина, «Государь ты наш, батюшка» Ф. Горенштейна, «Без вины виноватые» А.Н. Островского, «Пиковая дама» по А.С. Пушкину, «Воскрешение, или Чудо святого Антония» М. Метерлинка в Театре им. Евг. Вахтангова; «Калигула» А. Камю в театре им. Моссовета, «Великолепный рогоносец» Ф. Кроммелинка в театре «Сатирикон»), преподает на режиссерском факультете ГИТИСа. Со студентами Фоменко ставит «Бориса Годунова» и «Пиковую даму» по А.С. Пушкину, «Игроков» Н.В. Гоголя (совместно с Р.А. Сиротой), «Волков и овец» А.Н. Островского, «Свадьбу» А.П. Чехова.

В 1993 году на базе актерско-режиссерского курса П.Н. Фоменко был создан театр, художественным руководителем которого стал Петр Наумович Фоменко. Название возникло само собой: просто слово «мастерская», которым в ГИТИСе называется каждый курс, из прозвища стало именем. Так родился Московский театр «Мастерская Петра Фоменко». В «Мастерской» Петром Фоменко были поставлены спектакли: «Чичиков. Мертвые души. Том II» по Н.В. Гоголю, «Одна абсолютно счастливая деревня» по Б.Б. Вахтину, «Семейное счастие» и «Война и мир. Начало романа» по Л.Н. Толстому, «Три сестры» А.П. Чехова и др.

Среди учеников П.Н. Фоменко много известных актеров и режиссеров: Сергей Женовач, Иван Поповски, Елена Невежина, Владимир Епифанцев, Василий Сенин, Миндаугас Карбаускис, Сергей Пускепалис, Николай Дручек, Галина Тюнина, Ксения и Полина Кутеповы, Полина Агуреева, Мадлен Джабраилова, Карэн Бадалов, Юрий Степанов, Ирина Пегова, Евгений Цыганов и многие другие.

П.Н. Фоменко — трижды лауреат Государственная премии РФ, награжден орденом «За заслуги перед Отечеством» IV и III степеней. Всего П.Н. Фоменко создано более шестидесяти спектаклей в театрах Москвы, Ленинграда, Тбилиси, Вроцлава (Польша), Зальцбурга (Австрия) и Парижа (Франция).