A jugoszláviai Nagybecskereken (Zrenjanin) született, szerb édesapja újságíró volt, anyja a második világháború alatt költözött gyermekeivel Budapestre. Petrovics Emil újságírónak vagy tanárnak készült, végül mégis a zenei pálya mellett döntött, s Farkas Ferenc tanítványaként végzett a Zeneakadémia zeneszerzés szakán. Az 1955-ös varsói VIT-en kitüntették szerb népdalfeldolgozását, vonósnégyeséért Liége-ben kapott díjat. Az ötvenes években a Szikra Nyomda üzemi zenekarát vezette, majd 1960-tól az újonnan szervezett Petőfi Színház zenei vezetője lett. Hubay Miklós író szövegkönyvére született 1961-ben első operája, a világháború borzalmait felidéző, antifasiszta C'est la guerre (Ilyen a háború). Ez volt az első magyar avantgárd opera, amelyben civilben jelentek meg a szereplők és prózai szöveget énekeltek, s ez hozta meg számára az áttörést. 1962-ben Arisztophanész Lysistraté című színműve, majd 1969-ben Dosztojevszkij Bűn és bűnhődése alapján komponált operát, Oscar Wilde nyomán balettet írt (Salome, 1979). 

Gyakran fordul Petőfi, Ady, Vörösmarty, Szabó Lőrinc, Weöres Sándor, Nagy László verseihez, Babits Jónás könyvéből oratóriumot írt, József Attila költeményeiből született A Dunánál című (kilencedik) kantátája Budapest egyesítésének 125. évfordulójára. Hangszeres művei közt szerepel két szimfónia, három vonósnégyes, fuvolaverseny, fuvósötös, zongoraverseny. Számos színdarabhoz és több tucat filmhez komponált zenéket, utóbbiak között olyan népszerű alkotások vannak, mint A koppányi aga testamentuma, A Pál utcai fiúk, Kísértet Lublón, Fekete gyémántok, Sortűz egy fekete bivalyért. 1959-ben Ravelről írt monográfiát, az utóbbi években Önarckép-álarc nélkül (1930-1966, 1967-2007) címmel, két kötetben jelentek meg kendőzetlenül őszinte visszaemlékezései.

Petrovics Emil 1964-ben lett a Színház- és Filmművészeti Főiskola, 1968-ban a Zeneakadémia tanára, egy ideig a zeneszerzés tanszak vezetője volt. 1986-1990 között az operaház igazgatója, 2003-2005 között főzeneigazgatója volt (posztjáról azért mondott le, mert nem látott garanciát az intézmény megfelelő működtetésére). 1967-1985 között országgyűlési képviselőként tevékenykedett, s a hatvanas-hetvenes években a népszerű Ki mit tud? vetélkedősorozat zsűrijében sokakkal szerettette meg a zenét.

Zeneszerzői munkásságáért 1966-ban és 2006-ban megkapta a Kossuth-díjat, két alkalommal ismerték el Erkel-díjjal (1960, 1963), érdemes művész (1975) és kiváló művész (1982), tagja a Széchenyi Irodalmi és Művészeti Akadémiának. A Hazám-díj és a Bartók Béla-Pásztory Ditta-díj kitüntetettje, 2005-ben életművéért a Magyar Köztársasági Érdemrend középkeresztje a csillaggal kitüntetést adományozták neki.