Inicià els seus estudis musicals a Nàpols amb el violinista S. Del Giudice i a partir del 1925 els prosseguí al conservatori d’aquesta ciutat amb M. Costa i V. Bellini i, més tard, amb G. Furno, N. Zingarelli (contrapunt i composició) i F. Ruggi. A tan sols setze anys debutà com a compositor amb Il diavolo color di rosa, òpera representada amb força èxit al Teatro La Fenice de Nàpols. Continuà component altres òperes per al Teatro Nuovo de Nàpols (Il giorno delle nozze, La Cimodocea) fins que el 1839 concentrà la seva activitat en la docència i l’estudi. El 1851 retornà amb èxit amb Le precauzioni, i el 1854 assolí la fama amb la seva primera opera seria, Marco Visconti, que fou representada a la Scala. A continuació compongué les que són considerades les seves millors obres: Jone, o L’ultimo giorno di Pompei (1858) i I promessi sposi (1869). Tot i la seva rivalitat amb Verdi, aquest el convidà el 1868 a participar en la composició col·lectiva d’una missa de rèquiem a la memòria de Rossini, que finalment no es portà a terme. Petrella és considerat un dels últims representants de l’escola operística napolitana.