Fue un compositor y director de coro, y sobre la base de la fecha de publicación de su primera colección de motetes, se puede colocar el año de nacimiento en torno a 1618. Nada se sabe de su formación musical. Recientemente se ha sugerido que puede haber sido su maestro Agostino Facchi, organista de la Catedral de Vicenza desde 1624. En 1643 el nombre de Petrobelli apareció por primera vez como autor de una colección de motetes para voz solista (Venecia) dedicada a Giorgio Cornaro, obispo de Padua desde 1642 hasta 1663 y mecenas de los músicos, incluyendo a Tarquinio Merula. Describió el contenido de esta su primera obra publicada como los 'productos … de mi primera juventud'. Era miembro del clero. El 9 de junio de 1647 compitió sin éxito para el cargo de organista en la Catedral de Vicenza, pero el 22 de agosto fue nombrado maestro di cappella de la Catedral de Padua con un sueldo anual de 60 ducados que en 1659 alcanzó 150 ducados. El salario anual incluía el servicio de la capilla y la tarea de enseñar 'tam in cantu firmo et figurato quam contrapuncto' a los clérigos y estudiantes del seminario.

Petrobelli mantuvo el puesto de la Catedral de Padua hasta 1684 de manera casi continua, a excepción de una estancia en la corte de Innsbruck con varios compañeros en 1652. En el lapso de estos treinta y siete años se distinguió por una conspicua producción musical, en parte perdida, que incluye colecciones de música sacra y secular, algunas de las cuales están dedicadas a personalidades de alto rango. A tales colecciones se tienen que añadir un par de óperas, una de las cuales es imposible de rastrear. Aunque pensionado el 8 de noviembre de 1684, puede haber tocado uno de los órganos de San Antonio en Padua después de esa fecha; continuó publicando hasta el final de su vida.

Edición discográfica con una obra de Francesco Petrobelli

Después de la publicación de los Motetti a 2, 3, 4 e 5 voci, Op. II (Venecia, 1651), dedicada al Capítulo de Padua en 1652, siempre en Venecia, Petrobelli dio a la luz a la primera colección de música secular: "Scherzi amorosi a due e tre voci, op. IV". Las composiciones, que en su mayor parte 'furno cantate nell’Academia Ricovrata' de nPadua, según lo informado por la dedicatoria dirigida al marqués Pio Enea II degli Obizzi, dan evidencia valiosa del repertorio musical cultivado en el ambiente académico y aristocrático de Padua.
Siguió la publicación de algunas colecciones de música sacra, entre las que se encuentran los "Psalmi a due, tre e quattro voci, due violini e organo" (Venecia 1662), dedicada al emperador amante de la música Leopoldo I, y la colección de motetes op. VIII (Bolonia, 1670). Esta última apareció en dos ediciones, que sólo difieren en la página del título y la dedicatoria: una titulada "Musiche sacre concertate con istromenti" dedicada al cardenal Felice Rospigliosi, sobrino del Papa Clemente IX, la otra titulada "Sacri concentus" destinada a Gregorio Barbarigo, Obispo de Padua.

En 1672 se llevó a cabo en Padua el drama musical "Il Teseo in Creta", dedicada por 'A.P.D.' (el libretista) a Giovanni Cornaro, capitán de Vicenza; el prólogo atribuye su composición a Petrobelli, y la partitura, con el título "Teseo in Atene", se conserva en la Biblioteca Nacional Marciana de Venecia. En el prefacio de "Teseo" también se cita otra obra de Petrobelli, "Angelica" (música perdida); no es inverosímil individualizarla como la "Angelica in India" 'historia fabulada con drama musical' del poeta Pietro Paolo Bissari, puesta en escena en Vicenza en 1656, pero no se sabe de una representación en Padua. En noviembre de 1684 Petrobelli presentó al capítulo de la catedral de Padua una petición para ser sustituido en el servicio de maestro di cappella. En los últimos años de vida, en ocasiones activo como cuarto organista en la Basílica del Santo en Padua, incrementó el ritmo de las publicaciones de música de iglesia. Fue principalmente compositor de música de iglesia concertada; su única ópera superviviente, "Il Teseo in Creta", es anticuada para las normas venecianas, y su escritura melódica es a menudo vaga e insípida.