Peter Mombaerts studierte Medizin in Leuven, Belgien. Nach dem medizinischen Abschluss 1987 ging er an die Graduate School des MIT, wo er 1992 promovierte. Nach Postdoc-Stellen bei den Nobelpreisträgern Susumu Tonegawa und Richard Axel wurde er Assistant Professor an der Rockefeller University. 2001 wurde er zum Associate Professor und 2003 schließlich zum Professor und Laborleiter an der Rockefeller University ernannt. Er ist Direktor und Wissenschaftliches Mitglied an der Max-Planck-Forschungsstelle für Neurogenetik.