Gajo Petrović rođen je u Karlovcu 12. marta 1927. i tamo završava osnovnu školu i gimnaziju. Nakon toga, godine 1944. odlazi u Zagreb na studij filozofije na Filozofskom fakultetu. Godine 1946. s Ivanom Kuvačićem i Božom Beckom, kolegama sa studija i budućim suradnicima, odlazi u SSSR u sklopu međunarodne razmjene studenata. Studij tako nastavlja najprije u Lenjingradu, a potom u Moskvi da bi se nakon sukoba Tito-Staljin vratio u Zagreb i ovdje 1949. diplomirao filozofiju.
Asistent na odsjeku za filozofiju u Zagrebu postaje 1950. i na toj poziciji ostaje sve do obrane doktorata u januaru 1956. s temom „Filozofski pogledi G. V. Plehanova“. Nakon što je doktorirao, odlazi na usavršavanje na londonsko sveučilište gdje usko surađuje s profesorom Alfredom Ayerom. Na zagrebačkom sveučilištu je 1958. i habilitirao uspješno braneći tezu „Korespondencija i evidencija – Brentanova teorija istine“.
Od 1969. radi kao redovni profesor na odsjeku za filozofiju pri zagrebačkom Filozofskom fakultetu predajući ontologiju, spoznajnu teoriju i logiku. Na ovoj je poziciji ostao do kraja života. Kao gostujući predavač surađivao je s mnogim sveučilištima diljem Europe i SAD-a.
Suosnivač je Jugoslavenskog društva za filozofiju (JUF), kao i Hrvatskog filozofskog društva (HFD) da bi od 1963. do 1964. bio predsjednik HFD, a neposredno nakon toga postaje i predsjednik JUF-a na čijem se čelu zadržava do 1966. godine. Također, jedan je od osnivača i stalni član Korčulanske ljetne škole. Godine 1986. izabran je za potpredsjednika filozofskog društva „Ernst-Bloch-Gesellschaft“ u Ludwigshafenu u tadašnjoj Zapadnoj Njemačkoj. Od 1988. izabran je za izvanrednog člana Srpske akademije nauka i umetnosti. Bio je član mnogih međunarodnih filozofskih i akademskih institucija među kojima se najviše ističu Međunarodni institut za filozofiju u Parizu, te Sveučilište za društvene znanosti u Strasbourgu koje mu je dodijelilo i počasni doktorat 1990. godine.
Filozofskom sistemu koji je zastupao Gajo Petrović je dao naziv „mišljenje revolucije“. On se temeljio na Marxovoj filozofiji, ali se snažno protivio Staljinovom tumačenju marksizma. Ovih se načela Petrović držao još prilikom pisanja svog doktorskog rada, a razvijajući vlastitu filozofsku misao s godinama se sve više približavao Hegelu i njegovoj teoriji o filozofskoj praksi. Upravo na tim temeljima 1964. nastaje časopis Praxis čiji je Petrović bio idejni začetnik i glavni urednik te mentor i uzor mnogim autorima koji su u njemu objavljivali. Petrovićeva filozofija temelj je pronalazila u preispitivanju vlastitih postupaka i autorefleksivnosti iz koje je proizašlo i njegovo tumačenje socijalističkog samoupravljanja kao puno šireg pojma od pozicije radnika na poslu (stvaranjem sustava direktne demokracije na svim područjima ljudskog djelovanja). Osim jugoslavenskog socijalizma, jednako oštro kritizirao je i nacionalizam. Nakon izbijanja studentskih demonstracija 1968. godine koje je otvoreno podržavao, iz Partije počinje upućivanje velikih kritika i pritisaka na njegov rad zbog čega se povlači iz šire javnosti, ali nastavlja raditi na fakultetu posvećujući se filozofskoj teoriji više nego praksi.
Gajo Petrović preminuo je u Zagrebu 13. juna 1993. godine u 66. godini života. Za života mu je izašlo 14 knjiga od kojih su najznačajnije „Filozofija i marksizam“, „Mišljenje revolucije“ i „Filozofija i revolucija“, te nekoliko stotina članaka, eseja i rasprava.
