Petényi Pál asztalos és Roszál Júlia fia. Tanulmányait a Budapesti Tudományegyetemen végezte, oklevelét 1914-ben kapta meg. Medikusként részt vett a Galilei Kör tevékenységében. Az első világháborúban katonaorvos, tartalékos főhadnagy, 1918-tól a Fehér Kereszt Gyermekkórház alorvosa volt. 1922-ben a pécsi Erzsébet Tudományegyetem magántanárrá képesítette.
1922–1923-ban megbízott klinikai igazgatóként, 1924-től 1926-ig osztályos főorvosként, 1937 és 1945 között igazgató főorvosként működött. A gyermekkórház a második világháborúban súlyos bombatalálatot kapott. A még romos épületben működő gyermekkórházat 1946-ban klinikai rangra emelték a Pázmány Péter Tudományegyetem Orvosi Kara II. Gyermekklinikájaként, Petényit pedig igazgatóvá nevezték ki. 1946 és 1965 között a budapesti orvosi karon a gyermekgyógyászat nyilvános rendes tanára volt, 1949-től tanszékvezetőként. 1952 és 1956 között részt vett az Egészségügyi Tudományos Tanács munkájában.
1949-ben az MTA levelező, 1960-ban rendes tagjává választották.
1959-ben elnyerte az orvostudomány doktora fokozatot.
Kutatásai és közleményei főleg az angolkórra és a gyermekkori fertőző betegségekre vonatkoznak. Nemzetközileg elismertek a tuberkulózis antibiotikumos kezelésére vonatkozó kutatásai.
