Gajo Petrović rođen je u Karlovcu 12. marta 1927. godine. Ratna 1941. zatekla ga je u gimnaziji. U to je vrijeme sudjelovao u pokretu otpora, uskoro je postao član skojevske organizacije, a kasnije i Komunističke partije. Nakon povratka sa studija u SSSR-u i upisanog Filozofskog fakulteta u Zagrebu, Petrović je 1949. napisao prvi kritički osvrt na članak Borisa Ziherla u Borbi. Članak je snažno odjeknuo, budući da je Ziherl bio neprikosnoveni autoritet tadašnjeg CK, pa je ovaj istup 21-godišnjeg studenta bio izuzetno hrabar.
Početkom 1949. Petrović je doživio svoje prvo razočaranje. Naime, tadašnje su vlasti zatvorile njegovog dobrog prijatelja i još nekoliko studenata filozofije zbog kritiziranja Informbiroa. Kao idejnog vođu optužili su Petrovića jer su ga željeli ukloniti iz partijske organizacije Filozofskog fakulteta i na taj mu način poljuljati ugled među studentima. Petrović je izbačen iz Komunističke partije, a na fakultet se vratio nakon mnoštva molbi.
Diplomirao je u februaru 1950. godine, a iste je godine u jesen izabran za asistenta na Filozofskom fakultetu. U proljeće 1955. predao je doktorsku disertaciju Filozofski pogledi G. V. Plehanova, koju je u januaru 1956. obranio. Tih su se godina u raznim jugoslavenskim časopisima objavljivale njegove recenzije knjiga i razmišljanja o aktualnim filozofskim pitanjima. Već tada se počeo baviti Heideggerom, a interes za tog filozofa nije ga napuštao do kraja života.
Početkom 1960-ih susreo se s Erichom Frommom, na čiju je preporuku objavljena Petrovićeva knjiga Filozofija i marksizam u Americi. Od 1969. Petrović je radio kao redovni profesor na Odsjeku za filozofiju, a sve do smrti predavao je ontologiju, spoznajnu teoriju i logiku. Kao gost je predavao na mnogim svjetskim sveučilištima. Suosnivač je Hrvatskog filozofskog društva (HFD), Jugoslavenskog udruženja za filozofiju (JUF) i Korčulanske ljetne škole, a bio je i potpredsjednik filozofskog društva Ernst-Bloch-Gesellschaft.
Petrović je bio jedan od osnivača i glavni urednik međunarodno poznatog časopisa Praxis oko koje se okupila grupa filozofa. Praxis filozofija, odnosno filozofija prakse, čiji su predstavnici na temelju ranih radova Karla Marxa formulirali oštru kritiku sovjetskog marksizma i zalagali se za stavljanje fokusa na kreativne potencijale pojedinca i problematiku otuđenja, od 1960-ih bila je vrlo utjecajna na području bivše Jugoslavije. Zbog svojih kritičkih stavova i podrške studentskim demonstracijama, Petrović je 1968. ponovno postao predmetom partijske kritike, koja ga je optužila za okupljanje studenata u zagrebačkom Studentskom centru.
Godine 1986. objavljena su Petrovićeva Odabrana djela u četiri sveska, od kojih je treći svezak, koji je nosio naslov Prolegomena za kritiku Heideggera, proglašena najuspješnijom knjigom godine iz tog područja znanosti. Bio je veliki kritičar nacionalizma i rata. Umro je 13. juna 1993. u Zagrebu.