Secondo una tradizione era cognato di Teodosio II. Divenuto vescovo di Bologna, avrebbe ricostruito la città distrutta per ordine di Teodosio I. In realtà, le informazioni sicure su di lui sono molto poche e imprecise. Forse discendente della famiglia consolare Petronia, avrebbe dimorato in Gallia e ricoperto alte cariche civili prima della crisi religiosa in seguito alla quale abbandonò onori e potere. Petronio fu ordinato sacerdote dal vescovo di Milano intorno al 421. Morto il vescovo di Bologna ,Felice, sarebbe stato il suo successore. Dopo la sua morte avvenuta sotto Teodosio e Valentiniano, fu molto venerato nella sua città. I bolognesi (che amano definirsi petroniani), gli hanno dedicato una grande basilica la cui costruzione iniziata nel 1390, è stata abbellita nei secoli da artisti di grande talento.