Mineiro de Varginha, Petrônio iniciou seu caminho como ator com apenas 2 anos de idade, em uma peça teatral como o Menino Jesus em uma escola onde sua irmã estudava, por lá fazia teatro amador e, aos 17 anos, em 1987, decide se mudar para São Paulo, onde é aprovado pro curso de Artes Cênicas na Universidade de Campinas. Por lá, ingressou na peça acadêmica Deixa Estar, com direção de Adilson Barros, e como conclusão do curso realizou a peça Vem...Senta Aqui ao Meu Lado e Deixa o Mundo Girar, Jamais Seremos Tão Jovens.
Em 1991, estreou na televisão já protagonizando a novela Salomé, na Rede Globo, ao lado de Patrícia Pillar. Em 1993, participou da novela Olho no Olho, da novela Pátria Minha, de 1994, e da Malhação de 1995. Assim seguiu por dezenas de produções audiovisuais nos anos seguintes. Recentemente, na Rede Record, interpretou Aarão em Os Dez Mandamentos, de 2015 a 2016. Já entre 2018 e 2019, interpretou Pedro na novela Jesus. Em 2021, interpretou Jacó na novela Gênesis.