נולד ב-11 באוגוסט, ט' באב תרנ"ד, בעיר נובוגאורגייבסק, אימפריה הרוסית (כיום אוקראינה), תחת השם פיוטר ולדימירוביץ ליטבינובסקי, למשפחת סוחרים דתית ומתחנך בחֶדֶר.
נחשף להעתק הציור "תשובת הקוזאקים הזפוריז'יאנים לסולטן מהמט הרביעי" של הריאליסט הרוסי איליה רפין, ציור שעתיד להיות מקור השראה מתמשך לאורך חייו. הוא מעתיק את היצירה מתוך גלויה והתוצר מזכה אותו במלגת לימודים.
נוסע ללמוד באקדמיה לאמנות באודסה. באותה שנה פוגש את מנהל "בצלאל" בוריס שץ שמזמין אותו לבוא ללמוד בירושלים לאחר שנחשף לעבודתו. בעקבות כך עולה ליטבינובסקי לירושלים ללמוד ב"בצלאל", אך מתאכזב מהגישה האקדמיות של המוסד ומחליט לאחר זמן קצר לחזור לסנט-פטרבורג, שם מעמיק את מיומנותו ברישום.
לומד באקדמיה לאמנות בפטרוגראד. באותה השנה נשא את ליזה לבית טורגובסקי לאישה, לבני הזוג נולדו בהמשך שתי בנות: דפנה וכלויה.
לאחר תום מלחמת העולם הראשונה עולה לארץ ישראל בשנית באונייה המפורסמת "רוסלאן". מתגורר תקופות בטבריה, במושבה הר־טוב, בביתניה עילית ולבסוף בירושלים.
מציג בתערוכתו הראשונה תחת "אגודת האמנים העבריים" במגדל דוד ומתמיד להציג במסגרת זו שנתיים נוספות.
מוזמן לעצב תפאורה ותלבושות עבור המחזה "הדיבוק" מאת ש. אנ-סקי ב"הבימה" בתל אביב ומעצב את הסמל הראשון של איגוד הספורט "הפועל". באותה השנה משתתף בתערוכות "אמנים מודרניים" שנערכו
בתיאטרון "אהל" ומקים סטודיו לציור יחד עם האמן משה מוקדי בו לימדו השניים התלמידים שפרשו מ"בצלאל".
מצטרף להתארגנות "אגד אמני ארץ ישראל" (שכללה בין היתר את אריה לובין, אברהם מלניקוב, חנה אורלוף, יוסף זריצקי, ראובן רובין, נחום גוטמן ואחרים) ומשתתף בכל שלוש התערוכות החשובות של הקבוצה. בשנה זאת מגיע לראשונה לפריס, שוהה בה מספר חודשים ונחשף לעבודותיהם של ז'ורז' רואו, סזאן, מאטיס, פיקאסו, מירו והציירים מאסכולת פריז. בעקבותיהם משחרר את סגנון הציור שלו ומתנסה בפירוק הצורות והנכחת כתמי צבע.
משתתף בתערוכה "ראשית המודרניזם בציור הישראלי 1920 - 1930" במוזיאון תל אביב, בשנים הבאות מרבה להציג בתערוכות בחיפה, תל אביב וירושלים. לאחר שצייר דיוקנאות של אנשי תרבות עברים רבים, מתחיל להתפרנס מציור דיוקנאות של אנשי ציבור. לרוב נוצרו הדיוקנאות על פי צילום, לבקשתם של אנשים פרטים ומוסדות רשמיים, שהשתמשו בהם לא פעם כמתנות לאורחים חשובים.
חובר למושבת אמנים במוצא-עילית (לצד ציונה תג'ר, משה מוקדי, חנה ויילר לוי ואחרים), שם מעמיק את סגנונו בהשראת האקספרסיוניזם הצרפתי. באותה השנה זוכה בפרס דיזנגוף לאומנות מטעם עריית תל אביב.
מציג תערוכת יחיד גדולה במוזיאון תל אביב לאומנות לרגל יום הולדתו ה-50. בהמשך מציג שתי תערוכות נוספות בבית הנכות הלאומי בצלאל, ירושלים.
מתמקם בבית נטוש ברחוב כ"ט בנובמבר בשכונת קטמון הישנה בירושלים, ששימש בעבר את סגן הנציב העליון הבריטי, שם חי ועבד בסטודיו עד פטירתו. בשנים הבאות מרבה לבקר באירופה וארצות הברית.
מציג תערוכה יחיד עצומה בגודלה בביתן הלנה רובינשטיין של מוזאון תל- אביב לאומנות, הכוללת 250 ציורים בשמן, גואש ורישומי גיר.
זוכה בפרס יקיר ירושלים ומתחיל תקופה של התכנסות והסתגרות בביתו שנמשכת עד סוף חייו.
מציג סדרת ציורים בשם "שורש החיים", בתערוכת יחיד בגלריה "ארטא" בירושלים. באותה השנה מציג את סדרת דיוקנאות הרבנים בגלריה גולדמן לאמנות בחיפה. 22 מתוך עבודות אלה הומרו לליטוגרפיות ופורסמו בהמשך בשני אלבומים מהודרים בעין הוד ובהוצאת מורלו, פריז.
זוכה בפרס ישראל לציור (לצד אנה טיכו ויוסל ברגנר), אך לא מגיע לטקס.
נפטר בערב ראש השנה תשמ"ו בירושלים ונטמן בהר המנוחות בעיר.
במלאת שנה למותו מתקיימת במשכן הכנסת תערוכה גדולה מיצירותיו. באותה השנה מציג גדעון עפרת את סידרת הכנר בבית האמנים בירושלים.
התערוכה הגדולה "ליטבינובסקי: ציורים" (אוצר: יגאל צלמונה) מוצגת במוזיאון ישראל, ירושלים.
לאחר ניסיונות רבים ועקרים לייסד מוזיאון עבור ציוריו של ליטבינובסקי, נדרש פינוי עיזבון הצייר, הכולל למעלה מ־6,000 עבודות, מהסטודיו בירושלים ומתחיל תהליך השמדה מסיבית שצמצמה את אלפי העבודות לכדי כמה מאות נבחרות.
פתיחת התעורכה בבית אבי חי