Родился в Марселе 27 февраля (11 марта) 1818 в семье артистов балета, учился у отца – Жана-Антуана Петипа (в начале 1830-х годов также у Огюста Вестриса). В детстве и юности разъезжал по Франции с труппой отца, гастролировал в США, в 1842–1846 работал в Мадриде. В 1847 Петипа был приглашен в Петербург и до конца жизни работал здесь в качестве артиста балета, с 1862 – балетмейстера, а с 1869 – главного балетмейстера. Дебютировал в октябре 1847 в роли Люсьена в балете Ж.Мазилье Пахита (музыка Э.Дельдевеза), который перенес из Парижа. В дальнейшем исполнял ведущие роли в балете Мазилье Сатанилла (музыка Н.Ребера и Ф.Бенуа), балетах Ж.Перро Эсмеральда (музыка Ц.Пуни), Фауст (музыка Пуни и Дж.Паниццы), Корсар (музыка А.Адана), а также в собственных постановках. Сочинив на рубеже 1850-х и 1860-х годов ряд одноактных спектаклей, в 1862 прославился постановкой Дочери Фараона (музыка Пуни), поразившей зрелищностью и танцевальным богатством. С этого момента и на протяжении последующих десятилетий был автором 56 оригинальных спектаклей и 17 новых редакций чужих балетов. Постепенно, от постановки к постановке складывались и утверждались каноны т.н. «большого балета», спектакля, где фабула излагалась в пантомимных сценах, а танец, в частности большие классические ансамбли, служил раскрытию внутренней темы. На протяжении всей второй половины 19 в. Петипа не прекращал поисков танцевальной образности. Обобщенный образ рождался в развитии пластических тем, благодаря сочетанию движений, комбинациям рисунков, разнообразию ритмов. Петипа достиг многого еще в период работы с композиторами, чья музыка была далека от симфонизма, например, в Баядерке (музыка Л.Минкуса, 1877), где поставил, в частности, знаменитое grand pas «Теней» в сцене загробного царства. Но высшим его достижением стали спектакли, созданные в союзе с П.И.Чайковским (Спящая красавица, 1890; отдельные эпизоды Лебединого озера, 1895) и А.К.Глазуновым (Раймонда, 1898).

Несмотря на то, что к началу 20 в. монументальные постановки Петипа представлялись новому поколению балетмейстеров, прежде всего М.М.Фокину, устаревшими (и они окрестили их «старым» балетом, противопоставив им свой – «новый»), традиции «большого балета» Петипа сохранили свое значение и в 20 в. На русской сцене живут его лучшие спектакли, а некоторые идут и в крупнейших театрах мира. Кроме того, уже в середине 20 в. в искусстве нового поколения хореографов, среди которых первое место занимает Джордж Баланчин, выработанные Петипа выразительные средства предстали полностью обновленными и легли в основу современного балета.

Умер Петипа в Гурзуфе 1 (14) июля 1910.