Pehr Hilleström inledde sin konstnärliga utbildning i Stockholm hos tapetmästaren Johan Philip Korn och i Guillaume Taravals Kongl. Ritarakademi. Genom slottsarkitekten Carl Hårlemans förmedling, blev Hilleström 1747 vävarlärling på Kungliga slottet hos den franske hautelissevävaren Louis Pierre Duru samt tecknarlärling hos Jean Eric Rehn. För att fördjupa sig i hautelissetekniken reste han 1757 till Paris och arbetade under ett år i François Bouchers ateljé. Hos denne, den franska rokokons främste skildrare, fick han även utbildning i måleri och lärde sig mästarens målarteknik med de tunna färgskikten. I Paris fick han även kvällsundervisning vid Académie des Beaux-Arts under ledning av Chardin. Vid sin återkomst till Stockholm arbetade Hilleström som vävare på Kungliga slottet, men från 1773 ägnade han sig alltmer åt stafflimåleriet. 1776 utnämndes han till kunglig hovmålare, 1794 till professor vid Konstakademien och 1810 blev han dess direktör.
Hilleström är unik inom det svenska måleriet i sitt intresse för interiörbilder med artificiell ljusskensbelysning och utförde i mitten och i slutet av 1780-talet en serie av dessa målningar, vilka har stora likheter med verk utförda av den holländske 1600-talsmästaren Godfried Schalken och av den engelske samtida konstnärskollegan Joseph Wright of Derby, som båda är kända för sina kraftiga klärobskyrer med eldskenseffekter. Han målade ett flertal scener ur operan Operan Gustav Wasa som skrevs av Johan Henrik Kjellgren efter Gustav III:s manus, musiken skrevs av Johan Gottlieb Naumann, dekoren och dräkterna ritade Louis Jean Desprez. Operanuppfördes första gången på Kungliga Teatern den 19/1 1786.
Som allmogeskildrare var Hilleström en pionjär som återgav midsommarlekar och skördefester långt före det sena 1800-talets nyvaknade intresse för folklore. På sina resor genom Sverige avbildade han allmogen i sina sockendräkter och la ner stor tid på att återge alla detaljer korrekt. Han målade av varvsmiljöer, landskap och smedjor vilka ger oss en stor historisk kunskap om denna tid.
Pehr Hilleströms konstnärliga livsverk är imponerande stort i antal och har en enorm bredd i motivval. Alla samhällsklasser avbildades i hans genremåleri och hans rika produktion omfattar såväl stadsbilder, stilleben, porträtt, kungliga karusellspel eller som i det aktuella katalognumret historiemåleri.