Petőfi Sándor és Szendrey Júlia egyetlen gyermeke volt. Keresztszülőségét - bár nem lehettek ott a szertartáson - Arany János és felesége vállalták. Apja megírta a születés és az első hónapok történetét (Zoltán fiam életrajza hét hónapos koráig), a rövid biográfia igazságérvényét némileg tompítja, hogy a költő szerint fia kéthetes korában már felült. Több mint egyéves koráig Zoltán élete folyamatos utazás volt; ez idő alatt többen is gondozták, dajkálták. Anyja Horvát Árpáddal kötött házassága után magához vette. 1858-ban a Magyar Tudományos Akadémia posztumusz nagydíját és a vele járó 1000 forintot Petőfi Összes versei kapta. A pénzt az árvaszék kezelésébe adják. A törvényszék ez év november 30-án Petőfi Istvánt nevezte ki Zoltán gyámgondnokává. Tízéves korától a pesti piaristákhoz járt hat esztendőn keresztül. Magántanulóként sikeres, rendes diákként azonban gyenge eredményeket ért el; az 1863/64-es tanévben görögből megbuktatták. Szarvason megismételte a hatodik osztályt, majd otthagyta iskolát. Nagykőrösön és Szegeden is megbukott, illetve eltanácsolták, végül nem szerzett érettségit. Közben vissza-visszatért Mágocsra, nagybátyjához és gyámjához. 1867 és 1869 között vándorszínészkedett. A vélhetően öröklött tüdőgyengesége, az ismertséggel és a színészettel összefüggő életmód gyorsan kikezdte az egészségét. 1869-ben nagybátyja felmondta a gyámságot, és az árvaszéktől kijelölt gyám, Toldy József Rozsnyóra és a Bécs melletti Meránba küldte gyógykezelésre. Bár életvitelét jórészt ott is folytatta, kissé megerősödve tért haza. A halotti anyakönyv beírása szerint tüdőgümősödésben hunyt el. A nagyapa, Szendrey Ignác - az unoka végakaratának megfelelően - létrehozta a „Petőfi Zoltán tanulók segélyező alapítványát”. Verseit és életrajzát a Petőfi Könyvtár közölte.