Sagan comincia a pedalare all'età di nove anni. Trascorre la carriera agonistica giovanile prevalentemente nella mountain bike, specialità nella quale, tra gli juniores, ottiene importanti risultati: in particolare nel 2008 si aggiudica tutti i campionati di categoria, nazionale, europeo e mondiale. Passato stabilmente al ciclismo su strada nel 2009, accede alle gare per professionisti con la formazione Continental slovacca Dukla Trenčín-Merida; nello stesso anno partecipa con la sua nazionale ai campionati europei nella categoria Under-23, classificandosi decimo nella prova in linea. Per la stagione 2010 viene ingaggiato dal ProTeam italiano Liquigas-Doimo. Con la nuova squadra si mette subito in evidenza: in marzo, alla Parigi-Nizza, è secondo nella seconda tappa, imponendosi poi nella terza e nella quinta frazione, oltre a conquistare la classifica a punti della gara. In aprile partecipa al Tour de Romandie: nel prologo è secondo a 1" dal bergamasco Marco Pinotti, vince poi la prima tappa e conquista la maglia di leader della generale, perdendola due giorni dopo; nella quarta tappa è infine secondo a 13" dal vincitore sloveno Simon Špilak. In classifica generale conclude fuori dai primi dieci, ad oltre 2' dallo stesso Špilak. In maggio partecipa al Tour of California vincendo la quinta e la sesta frazione nonché la classifica a punti e quella dei giovani, mentre nel finale di stagione ottiene diversi piazzamenti in corse da un giorno: è infatti settimo al Grand Prix de Ouest-France e secondo al Grand Prix Cycliste de Montréal, entrambe gare inserite nel calendario mondiale UCI, ma anche secondo al Giro del Veneto (battuto dal compagno di squadra trentino Daniel Oss) e quarto al Giro di Romagna. Conclude la stagione con cinque successi all'attivo.
Nei primi mesi del 2011 si aggiudica il Giro di Sardegna, dopo aver vinto anche la prima, la terza e la quarta frazione della corsa. Nel mese di giugno partecipa al Tour de Suisse, gara in cui vince due tappe: nella terza batte in una volata a due il veneto Damiano Cunego, nell'ottava supera invece il norvegese campione del mondo 2010 Thor Hushovd e l'australiano Matthew Goss in una volata di gruppo. Nello stesso mese diventa campione nazionale in linea. Ad agosto si aggiudica il Tour de Pologne, gara World Tour, facendo sue anche la quarta e la quinta tappa. La vittoria della classifica generale arriva all'ultima frazione, grazie agli abbuoni conquistati con il secondo posto nella volata finale, con i quali scalza il precedente leader irlandese Daniel Martin. Partecipa poi alla Vuelta a España vincendo ben tre frazioni: la sesta, la dodicesima e quella conclusiva, la consueta "passerella" sulle strade di Madrid. Termina l'annata con quindici successi all'attivo, l'ultimo al Gran Premio Industria e Commercio di Prato. Inizia il 2012 con ambizioni importanti in vista delle Olimpiadi di Londra. Comincia la preparazione atletica con il Tour of Qatar, ottenendo il primo successo stagionale nella seconda tappa del Tour of Oman. In marzo vince la quarta tappa della Tirreno-Adriatico battendo il ceco Roman Kreuziger e il siciliano Vincenzo Nibali, suo compagno di squadra. Dopo il quarto posto alla Milano-Sanremo e il secondo alla Gand-Wevelgem, vince la prima tappa della Driedaagse De Panne - Koksijde; è poi ancora protagonista nelle classiche, al Giro delle Fiandre, dove si piazza quinto, e all'Amstel Gold Race, dove coglie il terzo posto in volata alle spalle del friulano Enrico Gasparotto e del belga Jelle Vanendert. In maggio partecipa al Tour of California aggiudicandosi cinque delle otto tappe, dominando anche la classifica a punti. Nel mese successivo vince quindi la cronometro del Tour de Suisse davanti allo specialista elvetico Fabian Cancellara; porta a casa, successivamente, anche le vittorie nella terza, nella quarta e nella sesta frazione della competizione elvetica. In luglio, dopo essersi laureato campione nazionale in linea, partecipa per la prima volta al Tour de France. Alla Grande Boucle si aggiudica, staccando il gruppo sugli strappi conclusivi, la prima e la terza frazione, e poi, con una volata di gruppo, la sesta tappa; fa sua anche la maglia verde della classifica a punti, dopo averla vestita per diciannove giorni consecutivi. Nel prosieguo di stagione non ottiene più vittorie, chiudendo il 2012 a quota sedici trionfi.
Vestendo la divisa della nuova Cannondale (ex Liquigas), Peter Sagan apre la stagione 2013 con i successi nella seconda e terza tappa al Tour of Oman. Rientrato in Europa, tra febbraio e marzo vince il Gran Premio Città di Camaiore e le frazioni di Narni Scalo e Porto Sant'Elpidio della Tirreno-Adriatico, terminando secondo alle Strade Bianche; chiude ancora in seconda piazza alla Milano-Sanremo, battuto sul traguardo dal tedesco Gerald Ciolek dopo una lunga volata. Cinque giorni dopo è secondo anche alla E3 Harelbeke, mentre il 24 marzo si aggiudica in solitaria la prima classica della sua carriera, la Gand-Wevelgem; due giorni più tardi si impone anche nella prima tappa della Driedaagse De Panne - Koksijde. Nel fine settimana successivo si classifica quindi secondo al Giro delle Fiandre, dopo essere stato staccato sull'ultimo muro dallo svizzero Cancellara, poi vincitore. Vince in seguito la Freccia del Brabante. Tra maggio e giugno consegue vittorie nella terza e nell'ottava tappa del Tour of California e nelle frazioni di Meiringen e Bad Ragaz al Tour de Suisse, riconfermandosi campione nazionale in linea. In luglio partecipa per la seconda volta al Tour de France, dove ottiene diversi piazzamenti di tappa (quattro secondi e due terzi posti) e un successo parziale, in volata ad Albi nella settima frazione; questi risultati gli consentono di far nuovamente sua la maglia verde della classifica a punti, da lui indossata in questa edizione della Grande Boucle per diciotto tappe consecutive. Successivamente gareggia in Nord America, cogliendo altre otto vittorie: quattro tappe alla USA Pro Cycling Challenge in Colorado, tre al Tour of Alberta e il trionfo nel Grand Prix Cycliste de Montréal.[53] A fine stagione è anche al via dei campionati del mondo di Firenze, dove si classifica sesto nella prova in linea. Termina il 2013 con ventidue successi all'attivo e le vittorie nelle classifiche a punti di cinque diverse gare a tappe.
Apre la stagione 2014 fuori dall'Europa, con alcuni piazzamenti di tappa al Tour de San Luis e al Dubai Tour e una vittoria al Tour of Oman. Coglie quindi il secondo posto alla Strade Bianche, il successo nella tappa di Arezzo alla Tirreno-Adriatico e il decimo posto alla Milano-Sanremo. Nelle successive gare del Nord è in evidenza: vince la E3 Harelbeke, e si classifica poi terzo alla Gand-Wevelgem, ottenendo anche una vittoria di tappa alla Driedaagse De Panne - Koksijde. Nelle due classiche monumento seguenti, il Giro delle Fiandre e la Parigi-Roubaix, pur partendo da favorito, non riesce a salire sul podio, chiudendo le manifestazioni rispettivamente sedicesimo e sesto. Tra maggio e giugno, in preparazione al Tour de France, vince una frazione al Tour of California e una al Tour de Suisse, aggiudicandosi anche, per il quarto anno consecutivo, il titolo di campione nazionale in linea. Al seguente Tour de France Sagan è nuovamente protagonista: veste la maglia verde per venti tappe e si aggiudica per la terza volta consecutiva la classifica a punti, con quattro secondi, un terzo e tre quarti posti, ma senza ottenere successi di tappa. Concluso il Tour, in agosto viene ufficializzato il suo trasferimento al team russo Tinkoff-Saxo a partire dalla stagione 2015. Fortemente voluto dal patron russo Oleg Tinkov, Sagan firma un contratto triennale: lo seguono nella nuova squadra anche il fratello Juraj e il polacco Maciej Bodnar, già suoi compagni di squadra alla Cannondale. Dopo aver preso parte alla Vuelta a España, dove ottiene scarsi risultati prima del ritiro, partecipa al campionato del mondo di Ponferrada ma conclude solamente al 43º posto la prova in linea, non riuscendo a restare con i migliori
Debutta con la Tinkoff-Saxo al Tour of Qatar dove si piazza due volte
secondo e quattro volte terzo. Pochi giorni dopo al Tour of Oman coglie
due quinti e un settimo posto. In preparazione alla Milano-Sanremo
partecipa alle Strade Bianche e alla Tirreno-Adriatico, corsa nella
quale, dopo una serie di piazzamenti, ritrova il successo dopo nove mesi
nella sesta tappa con arrivo a Porto Sant'Elpidio, facendo sua anche la
classifica a punti; nella Classicissima, tuttavia, si piazza solo
quarto. Inizia le classiche del nord giungendo lontano dai migliori
all'E3 Harelbeke, staccandosi a pochi chilometri dal traguardo, mentre
alla Gand-Wevelgem è decimo. Si piazza quarto anche al Giro delle
Fiandre, pur rendendosi protagonista di un attacco sull'ultimo muro,
assieme al belga Greg Van Avermaet, non riuscendo però a riprendere i
fuggitivi Alexander Kristoff, norvegese, e Niki Terpstra, olandese. Una
settimana più tardi è solo 23º alla Parigi-Roubaix. Nel mese di maggio
vince il Tour of California, aggiudicandosi anche la quarta tappa in
volata e la cronometro della sesta. A giugno è ancora protagonista al
Tour de Suisse, dove si aggiudica in volata la terza e la sesta
frazione; così facendo raggiunge il record assoluto di vittorie nella
corsa elvetica, eguagliando con undici affermazioni gli svizzeri Hugo
Koblet e Ferdi Kübler. A fine mese si laurea per la prima volta campione
nazionale a cronometro e per la quinta volta consecutiva campione in
linea. Al Tour de France ottiene cinque secondi, due terzi e due quarti
posti parziali; ciò nonostante non riesce a vincere neanche una tappa,
ma grazie ai numerosi piazzamenti si impone per la quarta volta
consecutiva nella classifica della maglia verde. A fine agosto partecipa
alla Vuelta a España in preparazione ai campionati del mondo di
Richmond. Nella corsa spagnola vince in volata la terza tappa,
precedendo il francese Nacer Bouhanni e il tedesco John Degenkolb;
successivamente, nei chilometri finali dell'ottava tappa, cade malamente
tamponato da una moto: riesce a concludere la tappa, ma il giorno dopo
non prende il via, ritirandosi dalla corsa. Il 27 settembre a Richmond
si laurea campione del mondo in linea: partito con i favori del
pronostico, ma con soli due compagni di nazionale al suo fianco, riesce
a scattare e distanziare gli avversari sul penultimo strappo a 2,7 km
dalla conclusione, resistendo al ritorno degli inseguitori e diventando
così il primo ciclista slovacco a vincere un Mondiale su strada. Chiude
la stagione con due secondi posti parziali all'Abu Dhabi Tour.
Apre la nuova stagione con la rinominata Tinkoff in Argentina al Tour
de San Luis, piazzandosi al secondo posto nella seconda tappa alle
spalle del colombiano Fernando Gaviria. Ottiene quindi altri cinque
secondi posti – all'Omloop Het Nieuwsblad, in due tappe e nella
classifica finale della Tirreno-Adriatico e all'E3 Harelbeke – senza
ottenere successi, sbloccandosi il 27 marzo nella Gand-Wevelgem: grazie
alla vittoria diventa il secondo ciclista in grado di vincere la
classica belga in maglia iridata dopo il belga Rik Van Looy nel 1962,
passando allo stesso tempo al comando della classifica dell'UCI World
Tour. Qualche giorno dopo mette in bacheca la sua prima classica
monumento, trionfando in solitaria nel centesimo Giro delle Fiandre:
dopo aver attaccato a più di 30 km dal traguardo assieme a un gruppetto,
lo slovacco incrementa il proprio vantaggio sull'Oude Kwaremont,
resistendo al ritorno di Cancellara sul Paterberg e staccando i compagni
di fuga. Conclude le classiche del Nord con un 11º posto alla
Parigi-Roubaix. Tornato alle corse al Tour of California, si aggiudica
la prima e la quarta frazione. È di nuovo competitivo al Tour de Suisse,
conquistando in volata la frazione di Baar — attestandosi come
primatista assoluto di vittorie della corsa elvetica - e, con una bella
azione, la seguente tappa di Rheinfelden: nell'occasione si rende
protagonista di un attacco solitario su un tratto in salita a 13 km
dall'arrivo, riuscendo a ricongiungersi con i battistrada elvetici
Silvan Dillier e Michael Albasini, per poi batterli entrambi in volata.
Al Tour de France riesce a conquistare tre tappe: la seconda in una
volata in leggera salita, al termine della quale veste anche per la
prima volta in carriera la maglia gialla (che conserverà per tre
frazioni); lundicesima, con un attacco a circa 12 km dal traguardo
assieme al compagno di team Bodnar, al britannico Chris Froome, leader
della corsa, e al gallese Geraint Thomas per poi precederli in volata, e
la sedicesima, di nuovo allo sprint dove sopravanza Kristoff al
fotofinish. Coglie altri due secondi e tre terzi posti, aggiudicandosi
agevolmente la classifica a punti, sua per la quinta volta consecutiva.
Gli viene infine assegnato anche il numero rosso di corridore più
combattivo della Grande Boucle. Il 1º agosto viene annunciato, tramite
un comunicato ufficiale, il suo passaggio alla Bora: lo slovacco, in
seguito alla firma di un contratto triennale, correrà con la nuova
squadra a partire dalla stagione seguente. Il 21 agosto partecipa ai
Giochi Olimpici di Rio de Janeiro nella prova di
mountain bike, dopo aver rinunciato a quella su strada: partito
cinquantesimo e ultimo del gruppo, Sagan recupera rapidamente posizioni
fino a portarsi tra i primi tre, con lo svizzero Nino Schurter e
l'italiano Marco Aurelio Fontana; due forature lo costringono tuttavia a
perdere progressivamente terreno e a un trentacinquesimo posto finale, a
un giro di distanza dal vincitore Schurter. Non avendo corso la Vuelta a
España poiché in concomitanza con la prova olimpica, prende parte alle
due gare canadesi World Tour: il 9 settembre si aggiudica il Grand Prix
Cycliste de Québec davanti a Van Avermaet, mentre due giorni più tardi
conclude al secondo posto il Grand Prix Cycliste de Montréal, proprio
alle spalle del belga. Il 18 settembre a Plumelec, si laurea primo
campione europeo della storia nella categoria Elite battendo in volata,
al termine di una breve salita, il francese Julian Alaphilippe e lo
spagnolo Daniel Moreno. Successivamente vince in volata la terza e la
quarta tappa dell'Eneco Tour, concludendo la corsa al terzo posto e
riconquistando la vetta della classifica World Tour, momentaneamente
persa in favore del colombiano Nairo Quintana al termine della Vuelta.
Al termine del Giro di Lombardia, ultima prova del calendario a cui non
partecipa, Sagan fa definitivamente sua la classifica finale, precedendo
Quintana e Froome. Il 16 ottobre ai Mondiali di Doha, Sagan si
riconferma campione del mondo bissando il successo dell'anno precedente
nella prova in linea, precedendo in uno sprint a ranghi ridotti il
britannico Mark Cavendish e il belga Tom Boonen: lo slovacco diventa
così il sesto corridore della storia ad essere riuscito a conquistare
due edizioni consecutive della manifestazione iridata. Tra i vari
riconoscimenti assegnatigli a fine stagione, viene insignito del Vélo
d'Or, come miglior ciclista dell'anno.
Passato tra le file della Bora-Hansgrohe, Sagan inizia la stagione in Australia al Tour Down Under, cogliendo tre secondi posti, tutti alle spalle del corridore di casa Caleb Ewan. Il 25 febbraio termina al secondo posto la Omloop Het Nieuwsblad, preceduto da Van Avermaet, come già avvenuto nell'edizione precedente; il giorno successivo trova invece il primo successo con il nuovo team, aggiudicandosi la Kuurne-Bruxelles-Kuurne. Ad inizio marzo è al via della Tirreno-Adriatico dove si aggiudica la terza tappa in volata e la quinta al termine di una breve rampa. Il 18 dello stesso mese termina secondo alla Milano-Sanremo, preceduto in uno sprint a tre dal polacco Michał Kwiatkowski. Nella campagna del Nord termina l'E3 Harelbeke lontano dai migliori e la Gand-Wevelgem al terzo posto, mentre al Giro delle Fiandre chiude ventisettesimo, a seguito di una caduta sull'Oude Kwaremont a circa 17 km dal traguardo. Anche alla Parigi-Roubaix chiude nelle retrovie, a oltre cinque minuti dal vincitore Van Avermaet. Rientrato a maggio al Tour of California, fa sua in volata la terza tappa della corsa. L'avvicinamento al Tour de France prosegue al Tour de Suisse, dove si impone allo sprint nella quinta e nell'ottava tappa; il 3 luglio vince la terza tappa della Grande Boucle sullo strappo di Longwy, venendo tuttavia estromesso dalla corsa il giorno seguente, poiché ritenuto responsabile della caduta, con conseguente ritiro, di Cavendish, durante la volata finale sul traguardo di Vittel. Torna alle gare il 29 luglio al Tour de Pologne, a sei anni di distanza dall'ultima partecipazione: vince subito in volata la tappa inaugurale, vestendo la maglia di leader per un totale di quattro giorni, e ottenendo un secondo e due terzi posti nel corso delle frazioni seguenti. Pochi giorni più tardi al BinckBank Tour fa sue allo sprint la prima e la terza tappa, terminando al settimo posto nella generale. L'8 settembre, in un finale analogo all'edizione precedente, si aggiudica il Grand Prix Cycliste de Québec, finendo invece al nono posto due giorni più tardi al Grand Prix Cycliste de Montréal. Il 24 dello stesso mese nella prova in linea dei campionati del mondo di Bergen conquista il suo terzo titolo mondiale, sopravanzando allo sprint il corridore di casa Kristoff e diventando il primo ciclista nella storia a vincere tre titoli iridati consecutivi.
Nel 2018 Sagan debutta nuovamente in Australia, così come l'anno precedente, facendo suo il People's Choice Classic, classico criterium di apertura del Tour Down Under: qui ottiene la prima vittoria stagionale nella quarta tappa, cogliendo altri numerosi piazzamenti. Ottavo il 3 marzo alla Strade Bianche, non riesce ad imporsi in nessuna tappa della successiva Tirreno-Adriatico, dove finisce per tre volte al secondo posto. Sesto alla Milano-Sanremo, non inizia nel migliore dei modi le classiche del Nord, terminando lontano dai migliori l'E3 Harelbeke del 23 marzo, ma rifacendosi comunque due giorni più tardi vincendo in uno sprint ristretto la sua terza Gand-Wevelgem. Il 1º aprile è soltanto sesto al Giro delle Fiandre, dopo aver cercato invano di fare la differenza al termine del Paterberg, ultimo muro della Ronde; una settimana più tardi trionfa invece alla Parigi-Roubaix: in seguito a un bell'attacco in solitaria a circa 54 km dalla conclusione, riesce a riprendere e a staccare quasi tutti i reduci della fuga iniziale, per poi battere in una volata a due Silvan Dillier, unico in grado di tenere la ruota dello slovacco. Dopo aver terminato ai piedi del podio l'Amstel Gold Race una settimana più tardi, corre a maggio il Tour of California: tuttavia, contrariamente alle annate precedenti, non riesce a raccogliere alcun successo, con due terzi e due quarti posti. Il classico avvicinamento al Tour de France prosegue al Tour de Suisse, dove vince la volata della seconda tappa; il 24 giugno, dopo due anni di digiuno, si laurea per la sesta volta campione nazionale in linea. Il ritorno alla Grande Boucle dopo la spiacevole esperienza dell'anno precedente, vede lo slovacco conquistare tre successi di tappa: la seconda, al termine della quale indossa la maglia gialla, la quinta e la tredicesima, cogliendo anche tre secondi e un terzo posto. Tuttavia, a causa delle conseguenze riportate da una caduta nella discesa del Col de Portet della sedicesima frazione, non riesce a rendere al meglio nelle due volate rimanenti, quelle della diciottesima e della ventunesima e ultima tappa, piazzandosi in entrambe ottavo; ciò nonostante fa sua con ampio margine la classifica della maglia verde, sua per la sesta volta in carriera. A tre anni dall'ultima partecipazione, a fine agosto prende il via della Vuelta a España. Durante la corsa iberica dimostra una ritrovata condizione fisica, ma, nonostante si dimostri più volte brillante nei finali di corsa, non riesce a cogliere nessun successo: sono infatti quattro i secondi e due i terzi posti, cui si aggiunge una nuova seconda piazza nella classifica a punti finale, vinta dallo spagnolo Alejandro Valverde.