Lasciato l’impiego di cantore, cominciò a lavorare come garzone in un negozio di musica “Grandi”. Petrassi ebbe una formazione scolastica sostanzialmente elementare, anche se frequentò per qualche tempo l’istituto tecnico serale ed insieme ad un amico cercò di acculturarsi attraverso la lettura, i concerti e, grazie all’impiego nel negozio di musica che gli permetteva di avere anche un po’ di tempo libero, leggendo partiture e strimpellando il pianoforte. Trasferito poi al punto vendita nei pressi del Conservatorio di Santa Cecilia, ebbe regolare contatto con molti musicisti romani che ruotavano attorno all’istituzione. Alessandro Bustini, insegnate di pianoforte presso l’accademia, sentendolo suonare goffamente, si offrì di dargli gratuitamente lezione. Nel 1925 iniziò anche lo studio dell’armonia e del contrappunto con Vincenzo Di Donato.

Le prime composizioni di Petrassi furono del 1926. Riuscì ad essere ammesso al conservatorio nel 1928 dove studiò composizione e più tardi organo e direzione d’orchestra. Negli anni ’30 fu fondamentale l’incontro con Alfredo Casella, da poco ritornato in Italia. Casella supportò il giovane Petrassi, e ne diresse anche alcune opere giovanili che presentano uno stile tendente al neoclassico. La “Partita per Orchestra” del 1932, brano scritto per il diploma in composizione, fu poi ripresa ad Amsterdam, Parigi e Ginevra, dando a Petrassi per la prima volta visibilità internazionale.

L’Italia di quel tempo non rappresentava di certo l’avanguardia in campo musicale, tuttavia grazie all’operato di alcuni celebri musicisti e organizzatori come l’amico Casella, Petrassi ebbe modo di ascoltare per la prima volta opere di contemporanei come Paul Hindemith e Igor Stravinskij, autori che ispirarono poi il suo “Salmo IX” del 1936, “Coro di Morti” del 1941 ed il “Magnificat” concluso nel 1946, che sono tra le sue composizioni più celebri.

Nel 1944, durante la Seconda Guerra Mondiale e nel bel mezzo delle operazioni degli alleati, in una capitale dettata dal caos ed in macerie, Petrassi fondò, insieme ad altri musicisti, "Musica viva", una serie di otto concerti con musiche di autori in quel tempo considerati fondamentali come Igor Stravinskij e Arnold Schönberg.

Nel dopoguerra gli interessi di Petrassi volsero anche all’opera e al balletto. Di questo periodo è “Noche Oscura”, altra opera fondamentale nel catalogo del compositore. Negli anni ’50 la curiosità verso la dodecafonia lo spinse ad esplorare il serialismo e da questa per lui nuova tecnica nacque il "Terzo Concerto" per orchestra, commissionato dalla Südwestfunk nel 1953. Altra influenza per Petrassi in quel periodo fu la musica di Béla Bartók che, accanto a quella di Stravinskij, fu quella che ebbe maggior impatto nel suo linguaggio, e questo si rivela soprattutto nel “Quarto Concerto”. Il rapporto con il serialismo fu per Petrassi comunque periferico. Egli usò la dodecafonia ma non si senti mai, a differenza di Luigi Dallapiccola e Gian Francesco Malipiero, maestro di tale tecnica. Nonostante Petrassi sia stato insignito di numerose onorificenze e incarichi di prestigio per la sua importante carriera di compositore, viene oggi ricordato con affetto e riconoscenza soprattutto per le qualità di insegnante. Come didatta fu molto amato ed ebbe allievi come Aldo Clementi e Franco Donatoni che vissero poi in prima persona gli sviluppi della ricerca seriale e frequentarono l’allora vivace ambiente di Darmstadt, luogo che Petrassi osservò attivamente ma dall’esterno, rimanendo aggiornato con curiosità degli sviluppi musicali di questa nuova generazione di compositori.

Dopo un lungo periodo di insegnamento presso l’Accademia nazionale di Santa Cecilia, nel 1978 lasciò l’incarico. Morì a Roma nel 2003.