Der Vater Hans Demetz (1894–1983), dessen ladinische Familie aus Südtirol nach Prag übersiedelt war, war u. a. Dramaturg am Deutschen Theater in Prag, Theaterdirektor in Brünn und Wien und spielte eine bedeutende Rolle in den Prager Literatenkreisen der Zwischenkriegszeit. Peter Demetz’ jüdische Mutter starb nach der Besetzung der Tschechoslowakei durch das nationalsozialistische Deutschland im Konzentrationslager, und Demetz selbst musste Zwangsarbeit leisten. Nach Kriegsende studierte er an der Prager Karls-Universität Germanistik und promovierte 1948 zum Dr. phil. Im gleichen Jahr flüchtete er nach dem kommunistischen Putsch in den Westen. Von 1950 bis 1952 arbeitete er als Redakteur bei Radio Freies Europa in München. 1953 wanderte Demetz in die Vereinigten Staaten aus, deren Staatsbürger er seit 1958 ist. Er erlangte 1954 an der Columbia University den Titel eines Master of Arts und 1956 an der Yale University die erneute Promotion zum Ph. D. 1956 wurde Demetz zunächst Dozent an der Yale-Universität, 1958 dann Assistant Professor und 1960 Associate Professor. 1962 wurde er dort zum ordentlichen Professor für Germanistik und Vergleichende Literaturwissenschaft berufen. Von 1963 bis 1969 war Demetz Direktor des Fachbereichs Germanistik in Yale, von 1972 bis zu seiner Emeritierung im Jahr 1991 hatte er an derselben Universität die Sterling-Professur für Germanistik inne.