Peter Toschek studierte Physik an der Universität Göttingen und an der Universität Bonn, wo er 1961 bei Wolfgang Paul promoviert wurde. Im Jahr 1968 wurde er in Heidelberg habilitiert und dort 1972 zum Professor berufen. Bereits als Wissenschaftlicher Assistent am Institut für Angewandte Physik der Universität Heidelberg gründete er 1963 die erste deutsche Forschungsgruppe für Laser-Spektroskopie. Diesem Arbeitskreis schloss sich bald auch Theodor Hänsch an, der 1969 bei Toschek promoviert und 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Peter Toschek wurde 1981 als Professor an den Fachbereich Physik der Universität Hamburg berufen, wo er bis zu seinem Ruhestand im Jahr 1998 tätig war und 1989/1991 mit Günter Huber das Institut für Laserphysik gründete.
Peter Toschek befasste sich mit Atomphysik, Quantenoptik und der Physik des Lasers. Er galt als einer der Pioniere der Laser-Spektroskopie und war bekannt geworden durch die von ihm erstmals verwirklichte Speicherung einzelner isolierter Atome (Ionen) in einer experimentell kontrollierten Umgebung. Auch nach seiner Emeritierung im Jahr 1998 blieb Peter Toschek am Institut für Laserphysik wissenschaftlich aktiv.
Er war seit 1994 Mitglied in der Joachim Jungius-Gesellschaft und gehörte der Akademie der Wissenschaften in Hamburg seit deren Gründung 2005 an.
Akademiepräsident Edwin J. Kreuzer: „Die Akademie der Wissenschaften in Hamburg verliert mit Peter Toschek ein hochgeschätztes, bis zuletzt sehr engagiertes Mitglied. Er hat die Diskussionen in der Akademie durch seine präzisen Analysen und immense Erfahrung bereichert. Wir werden seine Hilfsbereitschaft und Zugewandtheit in bleibender Erinnerung behalten. "
