Родился 23 декабря 1915 года в селе Винницкие Хутора (Винницкий район Украины). Окончил 7 классов средней школы. Учился в Винницком педагогическом институте. С 1938 года в рядах Красной Армии. В том же году окончил Одесскую военную авиационную школу лётчиков. Служил в строевых частях ВВС: 170-м ШАП (ВВС Орловского военного округа) и 253-м ИАП (ВВС Киевского особого военного округа).

С 22 июня 1941 года младший лейтенант П. А. Матиенко на фронтах Великой Отечественной войны в составе 253-го ИАП (14-я САД, Юго-Западный фронт; с 21 сентября 1941 года - ВВС 51-й Армии, Крымский фронт), летал на И-153 и ЛаГГ-3. В октябре 1941 года направлен заместителем командира эскадрильи в 247-й ИАП (ВВС Крымского и Северо-Кавказского фронтов), где летал на ЛаГГ-3 и Як-1. С июля 1943 года воевал в 270-м ИАП (203-я ИАД), летая на Як-1 (некоторое время на самолёте "От колхозников артели "День урожая" Винницкого района").

К сентябрю 1943 года штурман 270-го истребительного авиационного полка (203-я истребительная авиационная дивизия, 1-й штурмовой авиационный корпус, 5-я Воздушная армия, Степной фронт) майор П. А. Матиенко совершил 259 боевых вылетов, в 41 воздушном бою сбил лично 12 самолётов противника (в наградном листе говорится о 13 личных и 1 групповой победах). За эти подвиги представлен к высшей награде страны.

С 8 декабря 1943 года командовал 516-м ИАП (5 февраля 1944 года преобразован в 153-й Гвардейский ИАП). Летал на Як-1, Як-7 и Як-9. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 4 февраля 1944 года удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" (№ 1465).

15 октября 1944 года командир 153-го Гвардейского истребительного авиационного полка (12-я Гвардейская истребительная авиационная дивизия, 1-й Гвардейский штурмовой авиационный корпус) Гвардии майор П. А. Матиенко погиб в авиационной катастрофе. Всего совершил около 300 боевых вылетов, провёл 91 воздушный бой, в которых сбил лично 15 самолётов противника (в последнем наградном листе говорится о 16 личных и 1 групповой победах). Сражался на Западном, Крымском, Северо-Кавказском, Степном, 2-м Украинском и 1-м Украинском фронтах. Похоронен в польском городе Мелец (Жешувское воеводство).

Именем Героя названа улица и установлена мемориальная доска в селе Винницкие Хутора.

Награждён орденами: Ленина (04.02.1944), Красного Знамени (07.07.1942, 19.10.1942), Отечественной войны 1-й степени (25.08.1943, 22.10.1944); медалями.