Окончил Киевский университет (1886), ученик И. В. Лучицкого, преподавал в Москве, Варшаве, Петербурге, Иванове. С 1906 г. — профессор кафедры всеобщей истории Московского университета (покинул его в 1911 г. в знак протеста против политики министра просвещения Л. А. Кассо). Вернулся в 1917 г. В 1920-е гг. — директор Института истории РАНИОН, заслуженный профессор (с 1925 г.) член-корреспондент (06.12.1924), академик (12.01.1929).
Большую часть своей научной жизни посвятил исследованию социально-экономической истории Англии в Средние века: «Восстание Уота Тайлера» (Ч.1-2, Спб.; М., 1897—1901; М., 1937), «Очерки из истории английского государства и общества в средние века» (М., 1907; М., 1937, М., 2003) и др. В первой работе Петрушевский дал анализ английского манора XIII—XIV вв. и причин его разложения, а также нарисовал яркую картину восстания. Во второй работе уделил внимание проблеме генезиса феодализма. Для лучшего изучения этих проблем историк предпринимал поездки в Лондон в конце 80-х и 90-х, где работал в Британском музее.
Похоронен на Арском кладбище в Казани.