A livello internazionale, Petaia prese parte al mondiale giovanile del 2018 con la nazionale australiana di categoria. Nello stesso anno fu chiamato per la prima volta nell' dal commissario tecnico Michael Cheika, ma non esordì. Nonostante fosse ancora senza presenze con i "Wallabies", fu incluso nei convocati per la . Fece il suo debutto contro l' segnando una meta e divenendo il più giovane australiano di sempre a partecipare al mondiale. Successivamente giocò anche contro la e contro l' ai quarti di finale. Il nuovo selezionatore dell'Australia Dave Rennie lo schierò in tutte le partite disputate dalla nazionale nel 2020.