Unuk protojereja Petronija Jeremića, po kome je prezime Petronijević dobio njegov otac, bogoslov, koji nije bio sveštenik. Branislav Petronijević je završio Valjevsku gimnaziju u Valjevu. U svojoj 19. godini života odlazi u Beč na studije medicine, ne toliko zbog tog studija koliko zbog mogućnosti da se posveti studijama filozofije.

Doktorski rad uspešno je odbranio 1898. godine. Iste godine postavljen je za učitelja jezika u Trećoj beogradskoj gimnaziji, gde istovremeno predaje i filozofsku propedevtiku. Krajem te godine postavljen je za docenta Velike škole, a već naredne, 1899. godine, postaje vanredni profesor.

Godine 1903. postavljen je za redovnog profesora Velike škole, a kada je ova prerasla u Univerzitet opet postaje vanredni profesor, da bi 1919. godine bio izabran za redovnog profesora. Godine 1921. Petronijević postaje redovan član Srpske kraljevske akademije.

Proglašen je za najvažniju ličnost valjevskog kraja svih vremena. Uneo je 52 novine u naučni svet. Bista Branislava Petronijevića nalazi se u ubskom gradskom parku.