Мемнон Петрович Петровский родился в городе Васильсурске Нижегородской губернии в семье помещика. Получил домашнее образование, потом учился в Нижнем Новгороде в Александровском институте. Окончил Казанский университет, работал в Казани в 1-й гимназии преподавателем латыни. После защиты магистерсткой диссертации начал работать в университете по кафедре истории и литературы славянских наречий. В 1861—1863 годах совершил поездку по славянским странам. По возвращении в университет читал курсы лекций по по славянским древностям, языкам и литературам. В 1875 году ему была присвоена ученая степень доктора славянской филологии honoris causa Преподавательскую деятельность прекратил в 1885 году, но продолжал заниматься научной работой. Он также издавал и редактировал ряд памятников славянской литературы, переводил стихи славянских поэтов из других стран. Издал двухтомный труд «Славянская диалектология». Был избран членом-корреспондентом Петербургской Академии наук и почётным членом Чешской Академии наук.
За свою жизнь собрал большую коллекцию старинных книг, рукописей и писем писателей, которая в настоящее время хранится в Казанском университете. Его сын Нестор Мемнонович продолжил дело отца.
Скончался в Казани.