Peter Schep begann 2001 bei dem AXA Cycling Team. Bei den Olympischen Spielen 2004 in Athen wurde er Fünfter in der Mannschaftsverfolgung mit dem niederländischen Team und Siebter im Punktefahren. 2005 gewann er bei der Bahnweltmeisterschaften in Los Angeles seine erste Silbermedaille mit Jens Mouris, Niki Terpstra und Levi Heimans in der Mannschaftsverfolgung. Bei der WM im Jahr darauf in Bordeaux wurde Schep Weltmeister im Punktefahren.