Kölyökkora óta a motorversenyzés világa felé terelték. 16 éves koráig terepmotorokkal körözött, majd ezután került át a gyorsasági versenyzés világába. Első évében a legjobb újonccá vált, két év múlva pedig európai Superstock 600 futamokon indult. Ezután folyamatosan igyekezett felfelé törni, 2010-ben már a nemzeti Superstock 1000 állandó résztvevőjévé vált. 2011-ben a Ducati 1098R nyergében nagyszerű tempóban motorozott, Davide Giugliano lett a nagy ellenfele a szezon során. A két olasz izgalmas évet produkált a két Ducatival. A 10 versenyből nyolc győzelmet ők zsebeltek be, melyeket testvériesen elosztottak egymás közt 4-4 arányban. A rajtelsőségek tekintetében Petrucci volt a jobb, aki 6 pole pozíciót szerzett. A bajnokságot végül két ponttal elbukta, hiába mutatott be hihetetlen hajrát a szezon második felében. Petrucci a MotoGP királykategóriája felé vette az irányt, ahol az Ioda csapat Aprilia erőforrású CRT motorját kapta. 3 évig szolgált az alakulatnál, ahol az utolsó pontszerző helyekért harcolva a bajnokság 17., 19. és 20. helyein végzett. 2015-ben csapatot váltott és a Ducati alkalmazásába állt. A brit nagydíjon a 18. helyről indult, majd a vizes aszfalton megrendezett bemelegítő edzésen már a második lett. A futam második felét követően a mezőny egyik leggyorsabba lett és feljött a 2. helyig. Négy körrel a vége előtt 1,6 másodpercre csökkentette hátrányát Valentino Rossival szemben, végül nem sikerült megelőznie. 2018-ban Dani Pedrosa bejelentette, hogy a szezon végeztével távozik a MotoGP-ből, majd nem sokkal később leigazolták a helyére Jorge Lorenzót a gyári Ducati csapatától. Ennek következtében ő lett Andrea Dovizioso új csapattársa a 2019-es szezonra. A 2019-es MotoGP olasz nagydíjon a 3. helyről rajtolt és karrierje első győzelmét szerezte meg a MotoGP-ben. 2020 június végén hivatalosan jelentették be, hogy a 2021-es szezont a KTM-nél folytatja, de a gyártó szatellit alakulatában, a Tech3-nál.