Pehr Hilleström föddes den 18 november 1733 på Väddö prästgård. Familjen saknade medel att försörja alla barnen och Pehr sattes redan vid tio års ålder i lära hos ämbetsmålaren Johan Philip Korn i Stockholm. Korns unge elev måste ha visat en färdighet för hantverket, eftersom han snart fick deltaga i teckningsundervisningen vid Ritakademien som nyss instiftats på Kungliga Slottet. Där fick han som lärare Jean Eric Rehn och hovmålaren Taraval och undervisades tillsammans med bland andra Konstakademiens framtida ordförande Carl Fredrik Adelcrantz. Tack vare sin påtagliga begåvning uppmärksammades han snart av Carl Hårleman som tog den unge Hilleström under sitt mäktiga beskydd. Genom Hårlemans försorg blev nu Hilleström upptagen som lärling hos den franske hautelissevävaren Jean Louis Duru, som skolats vid Les Gobelins och nu anlitats vid Kungliga Slottet i Stockholm. Denna något tvära vändning i utbildningen blev besvärlig för Hilleström, eftersom han alls inte trivdes i den synnerligen osympatiske fransmannens sällskap. Dessutom sattes han i privatundervisning i mönsterteckning hos Jean Eric Rehn, återigen genom sin starke beskyddares försorg och på bekostnad av lektionerna på Ritakademien. Hilleström blev också så småningom Sveriges mest framstående hautelissevävare och fick efterträda Duru då denne lämnade sin tjänst vid bygget på Kungliga Slottet. År 1757 fick Hilleström möjlighet att med stöd av ett kungligt stipendium resa till Paris. Medlen för resan hade anslagits från Kongl. Slotts Byggnads Deputationen och Manufakturkontoret och grunden för den generösa gåvan var naturligtvis att Hilleström skulle studera vävnad. I Paris kom han dock i nära kontakt dels med den inhemska konsten och dels med gamla studiekamrater som nu drog in honom i de konstnärskretsar han antagligen annars inte skulle haft tillträde till. Helt avgörande för svensken var möjligheten att under ett drygt halvår studera vid hovmålaren François Bouchers ateljé - Boucher var händelsevis också "superinspecteur des Gobelins" vid den berömda textilfabriken - och på så sätt fick Hilleström skolning i såväl olje- som pastellmåleri. Liksom så många andra unga landsmän i Paris åtnjöt han dessutom Alexander Roslins stöd. Efter återkomsten till Sverige 1758 återuptog Hilleström, säkerligen med visst inre motstånd, plikttroget sin tjänst som tapetvävare vid hovet. Vid 1770-talets början avtog dock de kungliga textilbeställningarna och Hilleström fick nu bruk för de kunskaper i måleri han förvärvat i Frankrike. Han var en mycket produktiv målare och hade snart etablerat sig i de svenska högreståndskretsarna, där hans små konversationsstycken var mycket omtyckta. Det är främst som den svenska borgarklassens skildrare Hilleström blivit känd och hans alster har som samtidskrönikor tillmätts stor kulturhistorisk betydelse. Som målare kom han att ingå i den krets av framstående konstnärer som Gustav III omgav sig med och som även räknade Carl Gustaf Pilo, Elias Martin, Per Krafft d.ä, och Lorens Pasch d.y till sina medlemmar. År 1773 valdes Hilleström till ledamot av Konstakademien och blev endast några få år senare kunglig hovmålare med uppdrag framförallt på Drottningholm. År 1794 övertog han teckningsprofessuren vid Konstakademien efter professor Gillberg och knappt 15 år senare utnämndes han efter Lorens Paschs bortgång till akademiens direktör. Denna post behöll han intill sin död den 16 augusti 1816.