Piet van der Hem werd geboren in het Friese Wirdum. Hij werd op twaalfjarige leeftijd wees en verhuisde noodgedwongen naar zijn oom en tante in Leeuwarden. Na de Rijks-HBS vestigde Piet van der Hem zich in Amsterdam, waar hij studeerde aan de Rijksschool voor Kunstnijverheid. Na het behalen van zijn akte middelbaar tekenen volgde Piet van der Hem een opleiding aan de Rijksacademie.

Een koninklijke subsidie maakte het Piet van der Hem mogelijk om in 1908 naar Parijs te gaan. Hij huurde samen met Frans Hoogerwaard een atelier aan de Rue Paul Fêval in Montmarte en trok erop uit om daar te gaan schilderen. Piet van der Hem werd met name gefascineerd door het Parijse uitgaansleven.

Piet van der Hem bezocht de kleine theaters in de buurt, of het Cirque Medrano op de boulevard. Ook op de promenoires der Moulin Rouge, Gaîté Rouchechouart en Folies Bergère maakte hij diverse schetsen. Hij schilderde bij voorkeur het mondaine uitgaanspubliek dat op het punt stond om het theater te bezoeken. Het waren dezelfde onderwerpen die zijn collega’s als Jan Sluijters en Leo Gestel schilderden. Piet van der Hem werd in één adem genoemd met deze grote vernieuwers in de Nederlandse schilderkunst en in deze periode ontstonden zijn beste werken.

Dit werd ook opgemerkt door de kunstcritici die zijn schilderijen vergeleken met die van Henri de Toulouse-Lautrec en Théophile Steinlen. Piet van der Hem’s afwijkende perspectief en ongewone afsnijdingen sloten aan bij de modernistische vormentaal van eerdergenoemde kunstenaars. Journalist Tom Schilperoort, die Piet Van der Hem in Parijs ontmoette, noemde hem ‘een kersverse uit Holland geïmporteerde aanwinst voor het artistiek-kosmopolitische leven van Butte Montmartre’.

Na terugkeer in Nederland schilderde Pieter van der Hem in de volksbuurten van Amsterdam om het straatleven weer te geven. Ook werkte hij in schilderachtige plaatsen als Volendam en Katwijk. Voor de eerste Wereldoorlog bezochte de reislustige Van der Hem diverse buitenlandse steden, waaronder Madrid, Rome, Sint Petersburg en Moskou.

Piet van der Hem vestigde zich in 1818 definitief in Den Haag. Hij behoorde op dat moment al niet meer tot de grote modernisten en legde zich toe op het schilderen van portretten. Dankzij zijn grote vakmanschap werd hij een bekende society schilder die vele bekenden vereeuwigde zoals ministers, leden van de koninklijke familie en de danseres Mata Hari. Hij maakte een huwelijksportret van prins Bernhard en Juliana in 1937 en een statieportret van de Koninklijke Familie in de jaren twintig. Naast het illustratiewerk schilderde Piet van der Hem ook landschappen, stadsgezichten, stillevens en jachtvoorstellingen.

Piet van der Hem zou ook bekendheid krijgen als illustrator van boeken (onder meer in de plaatjesalbums van boekenuitgever Haust) en kranten en als ontwerper van affiches. Ook maakte hij politieke prenten voor diverse kranten. Hij ging hiermee door tot zijn overlijden in 1961.

Verschillende Nederlandse musea hebben werk van Piet van der Hem in de collectie.