Родился 18 июля 1917 года в посёлке Харцызск (ныне город Донецкой области Украины). С 1924 года жил в посёлке Еленовские Карьеры (ныне город Докучаевск). Окончил 7 классов, рабфак и школу фабрично-заводского обучения. Работал слесарем-аккумуляторщиком на рудниках Донбасса. С 27 августа 1937 года в рядах Красной Армии. В 1938 году окончил Харьковскую военную авиационную школу лётчиков, в 1940 году - Чугуевское военное авиационное училище лётчиков, в 1941 году - курсы командиров звеньев в Ленинграде. Служил в частях ВВС Ленинградского военного округа. Участник Советско-Финляндской войны 1939-1940 гг.
С 22 июня 1941 года младший лейтенант П. Я. Лихолетов в действующей армии. Воевал в составе 159-го ИАП. Сражался на Северном и Ленинградском фронтах. Летал на МиГ-3, "Киттихауке" и Ла-5.
21 марта 1942 года около 18 часов пятёрка советских истребителей Р-40Е "Киттихаук" из 159-го ИАП провела бой с группой немецких самолётов из 6 Ме-109 и 4 Ю-88. Одному из наших лётчиков лейтенанту П. Я. Лихолетову удалось сбить "Мессер" восточнее деревни Кордыня, после чего он хладнокровно расстрелял из 6 крупнокалиберных 12,7-мм пулемётов вражеского пилота во время спуска на парашюте. По немецким данным, в воздушном бою в районе Погостье - Волхов был сбит Ме-109, пилот которого унтер-офицер Фриц Эбнер из 1-го отряда 54-й истребительной эскадры "Зелёное сердце" выпрыгнул с парашютом и пропал без вести...
К середине октября 1943 года будучи командиром эскадрильи капитан совершил 382 боевых вылета, провёл 78 воздушных боёв, в которых лично сбил 19 и в группе 5 самолётов противника.
Указом Президиума Верховного Совета СССР «О присвоении звания Героя Советского Союза офицерскому составу военно-воздушных сил Красной Армии» от 4 февраля 1944 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство» удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
В июне 1944 года получил тяжёлое ранение позвоночника. Умер от его последствий 13 июля 1945 года. Похоронен в Санкт-Петербурге на мемориальном кладбище «Сосновка» в одноимённом лесопарке.
Награждён орденами: Ленина (04.02.1944), Красного Знамени (16.08.1942), Отечественной войны 1-й степени (02.05.1943), Красной Звезды (26.02.1942); медалью "За оборону Ленинграда" (15.06.1943).
