Питер Сарсгаард родился в штате Иллинойс на базе ВВС Scott Air Force Base в семье Джуди Леи (урождённой Рейнхардт) и Джона Дэйла Сарсгаард. Его отец служил инженером ВВС, впоследствии работал на Monsanto и IBM. Сарсгаард имеет датские, немецкие, норвежские, австрийские, ольстерско-шотландские и ирландские корни, его фамилия происходит из Дании. По вероисповеданию - католик и служил алтарником.
Окончил университет Вашингтона в Сент-Луисе, штат Миссури. Учился в актёрской школе The Actors Studio, играл в телесериалах и нью-йоркских театрах.
Первая роль Сарсгаарда в кино - в фильме «Мертвец идёт» (1995). Спустя три года появился в небольшой роли в фильме «Человек в железной маске».
Критикой была отмечена игра Сарсгаарда в фильме «Парни не плачут» (1999) о Брэндоне Тине - FtM’e, убитом в Небраске в 1993 году. Сарсгаард сыграл его друга Джона Лоттера, который изнасиловал и убил Брэндона после того, как выяснился его настоящий пол. Хилари Суонк получила премию «Оскар» за роль Брэндона.
Сарсгаард сыграл в биографическом фильме «Кинси» (2004) режиссёра Билла Кондона. Партнёрами по фильму стали Лиам Нисон в роли самого энтомолога иЛора Линни в роли его жены. Сарсгаард играл роль молодого помощника Кинси. В 2004 году номинировался на премию «Золотой глобус» как лучший актёр второго плана за роль в фильме «Афера Стивена Гласса».
Женат на актрисе Мэгги Джилленхол. У супругов есть две дочери - Рамона Сарсгаард (род.03.10.2006) и Глория Рэй Сарсгаард (род.19.04.2012).