Peter Debije werd op 24 maart 1884 in Maastricht geboren. Zijn schooltijd was, naast een later verblijf aan de Universiteit van Utrecht, de enige tijd die hij in Nederland doorbracht. Hij ging studeren in Aken, waar hij al snel opviel. In 1905 studeerde hij af in de elektrotechniek en werd hij assistent van de natuurkundige Arnold Sommerfeld. Na zijn promotie in 1908 en een verblijf in München en Zürich, keerde hij in 1912 voor een korte periode terug naar Nederland als hoogleraar in de theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Utrecht. Daarna vertrok hij weer naar Duitsland. Hij werd eindredacteur van het belangrijke Physikalische Zeitschrift en hield professoraten bij verschillende universiteiten.

Debijes onderzoek concentreerde zich op de structuur van atomen en moleculen. De natuurkunde stond in die jaren in het teken van de grote theorieën:  de quantummechanica en de relativiteitstheorie. Debije volgde dit nauwlettend, maar was zelf zeer gericht op de praktische toepasbaarheid van zijn bevindingen. Zo leverde hij een grote bijdrage aan de toepasbaarheid van de quantummechanica. Zijn bekendheid, en zijn Nobelprijs, dankte hij echter voornamelijk aan meetmethoden voor onderzoek naar de structuur van moleculen.

In 1910, toen hij als assistent van Sommerfeld in München werkte, werkte deze aan nieuwe manieren om aan te tonen hoe atomen en moleculen in een kristal gerangschikt zijn. Hiervoor liet hij een smalle lichtstraal door een kristal heen op een scherm vallen. Uit het patroon dat hierdoor zichtbaar werd, kon afgeleid worden hoe de atomen in het kristal zich tot elkaar verhielden. Deze methode werd later doorontwikkeld, door gebruik te maken van röntgenstraling in plaats van licht. Debije benaderde het probleem zowel praktisch als theoretisch en kwam met een verbetering door gebruik te maken van poeder, en later ook van vloeistoffen, in plaats van kristallen. Uiteindelijk lukte het hem in 1929 ook om de afstanden van de atomen binnen een molecuul te meten door röntgenstralen door een gas te leiden. Het was met name deze doorbraak die er toe leidde dat hem in 1936 als natuurkundige de Nobelprijs voor de scheikunde toegekend.

Twee jaar eerder was hij als opvolger van Einstein, die als jood het werken onmogelijk was gemaakt, benoemd tot directeur van het Kaiser Wilhem Instituut voor Natuurkunde in Berlijn. Onder zijn leiding kreeg het de naam, waaronder het nog altijd bekend is: het Max Planck Instituut. Einstein, met wie hij al eerder in contact was gekomen, nam Debije deze stap altijd kwalijk. Debije hoefde als Nederlander in eerste instantie geen loyaliteitsverklaring aan het nazi-regime te tekenen. Na zijn Nobelprijs werd de druk op Debije om zich tot Duitser te laten naturaliseren echter steeds groter. Hij weigerde en vertrok naar de Verenigde Staten, waar hij de rest van zijn leven zou blijven. Hij bleef tot 1952 als hoogleraar scheikunde verbonden aan Cornell University. De veelzijdige Limburgse Nobelprijswinnaar overleed in 1966.