Родился в семье дворянина врача. Окончив Царскосельский лицей (1839), поступил на юридический факультет Петербургского университета. По окончании университета (1841) служил переводчиком в министерстве иностранных дел.
Принял участие в работе над «Карманным словарём иностранных слов, вошедших в состав русского языка». Первый выпуск редактировал В. Н. Майков при участии Петрашевского, редактором второго выпуска стал Петрашевский (1845—1846), который написал и большинство теоретических статей. Статьи словаря пропагандировали демократические и материалистические идеи, принципы утопического социализма.
В доме Петрашевского с 1844 года проходили собрания, с 1845 года — еженедельные («пятницы»).
Участники «пятниц» пользовались библиотекой Петрашевского, часть которой составляли запрещенные в России книги по истории революционных движений, утопическому социализму, материалистической философии. Петрашевский выступал за демократизацию политического строя России и освобождение крестьян с землёй. Он был последователем Ш. Фурье.
В конце 1848 года участвовал в совещаниях, посвященных организации тайного общества, был сторонником длительной подготовки народных масс к революционной борьбе. В 1849 году Петрашевский и несколько десятков связанных с ним человек были арестованы. Судом Петрашевский и ещё 20 человек были приговорены к смертной казни. После произнесения приговора и инсценировки расстрела было объявлено о замене казни бессрочной каторгой. Наказание отбывал в Восточной Сибири.
С 1856 года ссыльнопоселенец; жил в Иркутске, сотрудничал в местных газетах, давал уроки. Организовал газету «Амур» (1860). За выступления против произвола местных властей в феврале 1860 года был выслан в село Шушенское Минусинского округа. С декабря 1860 года по март 1864 года жил в Красноярске. Оказывал заметное влияние на Красноярскую городскую думу. Был выслан губернатором из Красноярска в Минусинский округ, сначала в Шушенское, а затем в село Кебеж. 2 мая 1866 года Петрашевского перевели в село Бельское Енисейского округа, где он и умер в своём доме от кровоизлияния в мозг.