Родился 3 декабря 1818 года в Лихтенгейме близ Нойбурга-на-Дунае в Баварии, в крестьянской семье. Кроме Макса, в многодетной семье было еще семеро детей. Бездетный брат отца, Франц Петтенкофер, взял на себя заботу о сыновьях. Он был знаменит открытиями в области химии, с 1823 года был придворным аптекарем и хирургом Баварского двора.
Обучаясь в гимназии и работая помощником аптекаря, Петтенкофер проявлял высокие способности к обучению. Однако, уронив один из ценных сосудов и получив затрещину от дяди, ушёл из дома и направился в Аугсбург, чтобы стать там актёром, исполнял роль в «Эгмонте» Гёте под псевдонимом Тенков. По настоянию родителей и двоюродной сестры Елены — его тайной невесты — решил продолжить обучение. В 1837—1843 гг. учился сначала на естественном, а затем на медицинском факультете Мюнхенского университета.
Получив в 1843 г. степень доктора медицины, Петтенкофер некоторое время работал в области химии под руководством Кайзера в Мюнхене и Шеерера в Вюрцбурге. Совершенствоваться в избранном им направлении — медицинской химии — он направился в Гисен к профессору химии Юстусу Либиху (в 1852 г. по приглашению короля Максимилиана II Либих переехал в Мюнхен, а с 1860 года возглавил Баварскую Академию наук).
C 1845 по 1847 год Петтенкофер занимался практической медициной, после чего поступил на работу в монетном дворе Мюнхена. В лаборатории монетного двора он разработал способы выделения химически чистого золота, извлечения платины из серебряных талеров. Максу фон Петтенкоферу принадлежит открытие авантюринового стекла. Переоткрыл способ получения античного пурпурного стекла, к тому времени забытый.
Исследовал английские и немецкие сорта гидравлической извести. Открыл способ производства цемента, который не уступал по качеству произведенному в Англии;
C 1847 г. — действительный член, а с 1890 г. — президент Баварской Академии наук.
В 1847 г. приглашён профессором медицинской химии в Мюнхенский университет.
В 1848 г. разработал способ получения светильного газа из дешёвой смолистой древесины. Его метод применили в Базеле. Публичный праздник освещения города омрачился тем, что система отказала. Петтенкофер был глубоко расстроен, устремился в Мюнхен, и после двух суток работы в своей лаборатории устранил ошибку, в результате чего в Базеле было включено в действие газовое освещение.
К тому же периоду относится его изобретение способа реставрации масляных картин («Ueber Oelfarbe u. Conservierung d. Gem?ldegalerien»), а также приготовление мозаичных эмалей.
С 1849 г. работал в Баварском, а с 1876 г. — в Общегерманском ведомствах здравоохранения.
С 1850 г. состоял заведующим Королевской баварской аптекой.
В 1850 г. Петтенкофер показал, что атомные веса некоторых химических элементов отличаются на величину, кратную восьми. На этом основании он предположил, что химические элементы состоят из субэлементарных частиц. Его опыты по систематизации химических элементов оказали влияние на последующие исследования в этом направлении; в частности, на них ссылался Д. И. Менделеев.
Петтенкоферу поручили выяснить, почему в королевском замке ощущалась досаждавшая королю сухость воздуха. После этого случая он занялся вопросами гигиены, поставив их на научную основу. В 1865 г. он возглавил созданную по его инициативе кафедру гигиены Мюнхенского университета. В 1879 г. он организовал первый в Европе институт гигиены, став его директором, и руководил им до конца своей жизни.
В 1865 году приступил к изданию журнала «Zeitschrift fur Biologie» вместе с профессорами Бюлем, Радлькофером и К. Фойтом. Физиолог Карл Фойт (1831—1908) был его другом и коллегой по разработке ряда вопросов, связанных с питанием, воздухообменом в помещениях и обменом веществ в организме. Вместе с ним он разработал первые гигиенические нормы питания.
Предложил использование в качестве индикатора чистоты воздуха концентрацию углекислого газа в жилом или рабочем помещении.
Для изучения вопросов дыхания Петтенкофер изобрёл респирационную камеру, которая носит его имя. Энциклопедический словарь Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона писал:
В этот период он написал научные работы об оздоровлении городов, о канализации и удалении отходов жизнедеятельности людей из населенных пунктов. Он дал опытное обоснование санитарным мероприятиям очистки городов, что значительно, по мнению автора БСЭ, снизило смертность в Великобритании и Германии от этих причин.
В 1882 г. в сотрудничестве с Цимсеном Петтенкофер издал обстоятельный труд по гигиене, переведенный на все европейские языки. В этой работе рассматривались строительные материалы и ткани для производства одежды с точки зрения их проницаемости для воздуха («Beziehungen d. Luft zur Kleidung, Wohnung u. Boden»; на русском языке: «Отношение воздуха к одежде, жилищу и почве»). Словарь Брокгауза и Ефрона охарактеризовал это сочинение как «огромное руководство по гигиене».
В 1883 г. Петтенкофер совместно с Форстером и австрийским бактериологом Гофманом (G. Hofmann, 1843—1890) организовали новый журнал «Archiv fur Hygiene», передав первый журнал Фойту.
Свои работы, кроме указанных двух журналов, Петтенкофер печатал в «Liebig’s Annalen der Chemie», «Buchners Repertorium», «Dingler’s polytechnisches Journal», «Berichte der Akademie d. Wiessenschaften zu M?nchen» и «Journal de. biologie».
Петтенкофер создал школу гигиенистов, в которую входили русские учёные Ф. Ф. Эрисман, А. П. Доброславин, В. А. Субботин и другие.
Начиная с 1855 г. Петтенкофер приступил к изучению почвы и почвенных вод по отношению к инфекционным болезням, написав на эту тему несколько книг. В частности, он установил возможность распространения тифа и холеры через почвенные воды. По поводу холеры он писал:
В этих исследованиях он сотрудничал с немецким врачом Карлом фон Пфейфером (Pfeufer, 1806—1869), издателем с 1844 года журнала «Zeitschrift fur rationelle Medicin».
Касательно исследований Роберта Коха и открытого им холерного вибриона, Петтенкофер придерживался гипотезы миазматического происхождения эпидемий. Своих оппонентов он называл «охотниками за микробами». Он, в частности, утверждал:
Петтенкофер считал, что помимо самих бактерий, существенную роль в распространении эпидемий играют другие факторы, такие, как состояние почвенных вод и наличие в них особых органических субстанций, подобных тем, которые вызывают брожение. Он указывал на то, что в разных городах эпидемии холеры проявлялись по разному: в Гамбурге и Париже — до устрашающих население размеров, а в Мюнхене, несмотря на праздник Октоберфест с большим притоком приезжих, вспышка холеры не возникала. Кроме того, Р.Кох не мог показать в экспериментах над животными заболевание холерой после их заражения холерным вибрионом (потом выяснилось, что холера поражает только людей, но не животных).
Чтобы доказать Коху свою правоту, 73-летний президент Баварской Академии наук Петтенкофер выпил культуру холерных вибрионов. Опыт состоялся утром 7 октября 1892 г. в присутствии свидетелей-медиков. Петтенкофер не заболел. Несмотря на популярность героического опыта в глазах современников, Кох предполагал, что учёному для этого эксперимента прислали ослабленную культуру микробов, догадавшись о его намерениях.
Опыт с заражением себя холерой повторил И. И. Мечников в Париже.
Аналогичные опыты впоследствии провели Н. Ф. Гамалея, который в 1888 г. предложил защищаться от холеры предварительно умерщвленными бациллами, и испытал этот метод сначала на себе, а потом — на своей жене. Этот опыт также проделали в 1897 г. Д. К. Заболотный и киевский бактериолог И. Г. Савченко, которые приняли в присутствии комиссии врачей полностью действенную культуру холеры, за день до этого — умерщвленную культуру возбудителей этой болезни.
10 февраля 1901 г. Петтенкофер застрелился в своём доме, недалеко от Мюнхена, после смерти жены и троих детей. И. И. Мечников, получив сообщение о его смерти, записал в своем дневнике:
Макс Петтенкофер похоронен на Старом южном кладбище в Мюнхене.