Peter Moltzen erhielt seine schauspielerische Ausbildung in Leipzig an der Hochschule für Musik und Theater »Felix Mendelssohn Bartholdy«. Dem Ensemble des Schauspiels Frankfurt gehörte er von 2001 bis 2003 an. 2003 ging er zum Thalia Theater nach Hamburg. Von 2006 bis 2008 war er Ensemblemitglied des Maxim Gorki Theaters in Berlin. 2009 wurde er vom Deutschen Theater Berlin verpflichtet. Ab der Spielzeit 2015/16 ist er an der Schaubühne Berlin als festes Ensemblemitglied engagiert. Parallel zu seinen Theaterengagements ist Peter Moltzen auch immer wieder im Film- und Fernsehbereich tätig.