Участвовал в Семилетней войне 1756–1763; командовал пехотной бригадой в армии фельдмаршала С.Ф.Апраксина. Сыграл решающую роль в победе над пруссаками при Гросс-Егерсдорфе 19 (30) августа 1757; произведен в генерал-поручики, награжден орденом Св. Андрея Первозванного и назначен командиром дивизии.

Отличился в битве при Кунерсдорфе 1 (12) августа 1759, отбив все атаки пруссаков на высоту Гроссшпицберг; награжден орденом Св. Александра Невского. Получил под начало отдельный корпус (22 тыс. чел.). В августе 1761 осадил сильнейшую прусскую крепость Кольберг (Колобжег) и 5 (16) декабря принудил ее к сдаче; там он впервые применил метод атаки батальонными колоннами и рассыпным строем на пересеченной местности, а также организовал тесное взаимодействие сухопутных соединений и флота (огонь корабельной артиллерии, морской десант). Он стремился к тесной координации действий армии и флота, впервые применил новаторскую тактику маневрирования дивизионных каре в сочетании с рассыпным строем стрелков, создавал и активно использовал тактические резервы и отказался от традиционной для европейской военной традиции практики боя исключительно на равнинной местности. Свои идеи П.А.Румянцев изложил в ряде военно-теоретических трактатов (Инструкции, Обряд службы, Мысли), послуживших основой для воинских уставов второй половины 18 в. Продолжателем его традиций стал А.В.Суворов.