Из потомственной дворянской семьи. Брат — Михаил Ильич Петрункевич (1845-1912), врач, гласный Тверской городской думы, член Государственной думы I созыва в составе конституционно-демократической фракции.
Окончил юридический факультет Санкт-Петербургского университета (1866). В 1868 был выбран уездным гласным черниговского губернского земства. Также с 1869 работал мировым судьёй, а с 1879 являлся председателем мирового съезда.
За годы служения в черниговском съезде Петрункевич заработал репутацию сторонника либерального преобразований. Участник юбилейного вечера в честь украинского писателя Г.Ф. Квитко-Основьяненко (1778-1843). На этой встрече он призвал "к коренной реформе", так как нынешний строй "не соответствует ни достоинству русского народа, ни интересам великого государства". За свои резкие заявления и попытку в январе 1879 выступить на сессии Черниговского губернского земского собрания с политической речью сослан в апреле 1879 в г. Варнавин Костромской губернии. В 1886 вернулся в Чернигов и вновь стал гласным черниговского губернского земства. Позднее купил участок земли в Новоторжском уезде Тверской губернии и там же избрался уездным земским гласным (1890). В 1890-е гг. жил преимущественно в Москве, в 1897-1905 гг. в своём имении Машук.
Петрункевич также был активным либеральным публицистом. Он печатался в газете "Право", журнале "Полярная звезда". Он являлся одним из создателей журнала «Освобождение», был одним из инициаторов "Союза освобождения", Союза земцев-конституционалистов. В 1904 выступил с осуждением русско-японской войны . Осенью 1905, в разгар первой русской революции, стал одним из основателей Конституционно-демократической партии (Партии народной свободы). В 1906 Петрункевич учреждает печатный орган Партии народной свободы - газету "Речь", активно участвует в работе партии как член Центрального комитета.
Петрункевич был избран в 1-ю Государственную думу 26 марта 1906 г. выборщиками Тверского губернского избирательного собрания. После роспуска Первой Думы был в числе депутатов, подписавших Выборгское воззвание. По решению суда он был лишен изибрательного права и приговорен к трем месяцам тюрьмы. После выхода на свободу, постепенно отошел от активной политической деятельности, подолгу живя в Гаспре, крымском имении жены.
В 1919 Петрункевич, негативно относившийся к политике большевиков, выехал в Афины. Первые два года эмиграции жил во Франции, затем перебрался в Швейцарию (1921-24), и, наконец, осел в Праге. Умер 14 июня 1928 г. в Праге. Похоронен там же на Ольшанском кладбище. Посмертно, в Праге в 1934 году, вышли мемуары Петрункевича "Из записок общественного деятеля".