A partir de 55 a.C., Petreio e Lúcio Afrânio assumiram o comando das províncias da Hispânia como legados enquanto o governador, Pompeu, permaneceu em Roma. Depois da irrupção da guerra civil, em 49 a.C., Petreio e Afrânio marcharam contra César, que, por sua vez, desejava assegurar o controle da Hispânia antes de seguir Pompeu até a Grécia. Os dois foram derrotados depois de alguns sucessos iniciais e foram forçados a se render e a debandar seus exércitos em 2 de agosto depois da Batalha de Ilerda. César permitiu que Petreio e Afrânio permanecessem livres e os dois seguiram para a Grécia para se juntarem a Pompeu. Depois da derrota dos pompeianos na Batalha de Farsalos, Petreio e Catão fugiram do Peloponeso para o norte da África, onde o primeiro continuou servindo como legado na resistência contra os cesarianos. Juntamente com Tito Labieno, Petreio novamente conseguiu algumas vitórias contra César, mas, depois da derrota dos pompeianos na Batalha de Tapso, Petreio fugiu com o rei da Numídia, Juba I. Sem opções, Petreio e Juba resolveram se matar numa propriedade perto de "Zama Minor". Os dois decidiram duelar e Petreio matou Juba. Em seguida, ele próprio se matou com a ajuda de um escravo. No relato de César, o papel de Juba e Petreio estão invertidos.