В сборную Австралии по плаванию попала в 17 летнем возрасте, и в 1993 году выиграла первую награду на чемпионате мира в Мальорке, бронзовую медаль в заплыве на 200 метров баттерфляем. В 1994 году приплыла первой в двух заплывах в рамках Игр Содружества, на 100 метров баттерфляем и эстафетном заплыве 4х100 комплексным плаванием. На первой для себя Олимпиаде довольствовалась лишь одной серебряной наградой в заплыве на 200 метров баттерфляем. На Играх Содружества 1998 года выиграла еще две золотые награды. К Олимпийским играм 2000 года Петрия Томас, подошла в хорошей форме, однако и на этих играх, выиграть золотые медали ей не удалось, в эстафетных заплывах 4х100 комплексным плаванием и 4х200 свободным стилем спортсменка выиграла серебряные награды, а в заплыве на 200 метров баттерфляем взяла бронзу. В 2001 году спортсменка стала трёхкратной чемпионкой мира, победив в Японии в заплывах на 100, 200 и эстафетном заплыве 4х100 метров баттерфляем. В 2002 году на Играх Содружества, Петрия выигрывает очередные пять золотых наград, в этом же году спортсменка становиться чемпионкой мира на короткой воде, добившись победы в заплыве на 200 метров в рамках чемпионата мира в Москве. Олимпийские игры 2004 года в Афинах стали для спортсменки триумфальными, Петрия Томас выиграла 3 золотые Олимпийские награды, став одной из главных героинь Олимпиады. После завершения игр спортсменка ушла из большого спорта. В 2005 году она написал автобиографическую книгу «Плывущая против течения», описывающую спортивный путь спортсменки. Награждена Орденом Австралии. Замужем. В 2006 году родила сына, проживает с семьей в Канберре.