Militante del partito comunista e cinefilo, comincia la sua attività lavorando prima a “l'Unità” come critico e successivamente in qualità di sceneggiatore in alcune opere di De Santis tra le quali spicca il film inchiesta Roma ore 11 ('52). Nel corso degli anni '50 prosegue la sua attività di scrittura collaborando a numerose sceneggiature, anche per commedie di successo come I mostri ('63) di Dino Risi in cui emerge la sua vena sarcastica e polemica contro il boom economico e il consumismo sfrenato.

Dopo aver diretto un paio di cortometraggi, il suo esordio, L'assassino ('61), mette subito in campo alcune tematiche, che ritroveremo sovente nel cinema di Petri: i rapporti umani giocati sul filo della tensione tra sottomissione e dominio, esaltati in questo caso dalla struttura del thriller. Nel film successivo I giorni contati ('62) va ad analizzare un'altra tematica a lui cara e più specificamente politica, la lotta tragica del proletariato contro l'omologazione di massa nella società capitalistica. Nel Maestro di Vigevano ('63), tratto dal romanzo di Mastronardi, dirige Sordi nel ruolo di un maestro elementare frustrato che cerca la scalata sociale nel mondo imprenditoriale restando schiacciato dal cinismo e dallo squallore morale. L'eclettismo del regista si fa più evidente nel fantascientifico La decima vittima ('65) al quale collabora in fase di sceneggiatura Ennio Flaiano. Non indifferente alle innovazioni del linguaggio filmico della Nouvelle Vague e profondo conoscitore del noir americano e francese, raggiunge in questa fase l'apice della sua filmografia con A ciascuno il suo ('67) tratto da un soggetto di Sciascia. Ma è soprattutto a partire dagli anni '70 che Petri si rivela a una platea internazionale, pur senza nulla concedere al mercato, con la trilogia della crudeltà in chiave brechtiana: Indagine su un cittadino al di sopra di ogni sospetto ('70) che riceve l'Oscar come miglior film straniero, La classe operaia va in paradiso ('71), Palma d'oro a Cannes, e La proprietà non è più un furto ('73). Alla funzionalità estetica di questa trilogia va ricordato l'apporto essenziale di Ugo Pirro in fase di sceneggiatura, delle perfette partiture di Morricone, della straordinaria maschera di Gian Maria Volonté (presente solo nei primi due film) e del direttore della fotografia Luigi Kuveiller che grazie all'uso del grandangolo dilata sino alla deformazione grottesca il volto dei personaggi svelando le loro patologie psico-sociali.

Tra i suoi ultimi lavori va segnalato Todo modo ('76) film allegorico e grottesco, ancora tratto da Sciascia, inquietantemente profetico sul destino della democrazia cristiana e del suo segretario Aldo Moro (interpretato da Volonté). Nel suo ultimo film Buone notizie ovvero la personalità della vittima ('79) l'invettiva contro il potere dei media accusati della perdita di eticità nella società contemporanea conclude la sua carriera in tono minore.