Родился в Тюмени в семье чиновника. Учился в Тюменском Александровском реальном училище (ТАРУ), где занимался в музее у И.Я. Словцова. В 1908 году закончил специальные курсы, что дало ему право преподавать математику. Работал в народных училищах с. Успенское, г. Туринска.

Участник Первой мировой и гражданской войн. После Октябрьской революции занимал ответственные посты в государственных и советских органах Тюмени и Туринска, преподавал в школах и педтехникуме.

С 1924 г. совершал археологические разведки на территории нынешних Тюменской и Свердловской областей. Липчинская стоянка, открытая П.А. Россомахиным в 1924 г., была обследована им совместно с известным археологом П.А. Дмитриевым в 1925–1926 гг. Оригинальный комплекс материалов из раскопок стоянки позволил впоследствии выделить Липчинскую археологическую культуру эпохи энеолита (2-я пол. III тыс. до н.э.)

С 1926 по 1936 гг. работал директором Тюменского музея местного края. В 1936 стал директором Омского областного музея изобразительных искусств, участник городских, областных, Всесоюзных, Международной выставок.

В 1937 г. арестован. В 1939 г. реабилитирован. Вернулся в Тюмень, где работал директором Тюменского музея местного края
с 1939 по 1941 гг.

Еще в 1930 г. Тюменским музеем, директором которого в то время был П.А. Россомахин, были переданы в Государственный Эрмитаж предметы – чаша серебряная и две медных чашечки. В качестве благодарности за передачу ценных предметов в 1939 г. Государственный Эрмитаж выделил из своего музейного фонда более 200 предметов в Тюменский музей.