Nace el 1 de octubre de 1892 en la ciudad de La Plata, provincia de Buenos Aires. Estudia en la Escuela de Bellas Artes de su ciudad natal y se ejercita en el dibujo cuando visita el Museo de Historia Natural. Luego de tomar un curso de perspectiva, comienza a exhibir sus primeras obras en las vidrieras de la tienda Gath & Chaves y a publicarlas en las revistas La Ciudad y Rayos de Sol. En junio de 1911 realiza su primera exposición en las salas del desaparecido diario platense Buenos Aires.
En 1913 viaja a Florencia, donde frecuenta a la vanguardia futurista, que en ese momento realizaba la primera Esposizione d'Arte Futurista "Lacerba". Pettoruti expresa su propia idea de la dinámica de las cosas en movimiento en su serie Armonías. En Italia participa en numerosas exposiciones y recorre varias ciudades, estudiando diferentes técnicas artísticas. Entre 1916 y 1917 vive en Roma, donde traba amistad con los artistas del círculo vanguardista de las revistas Cronache d'Attualitá y Valori Pastici, entre ellos Giacomo Balla, Enrico Prampolini, Giorgio De Chirico, Carlo Carrá y otros, que concurrían a los encuentros de los cafés Aragno e Il Greco. Luego se establece en Milán, donde es admitido como socio pittore en la Famiglia Artistica. En esta época se gana la vida con la ilustración de libros, el diseño de vitraux y realizando proyectos escenográficos.
En 1920 expone un paisaje sintético en la XII Biennale Internazionale di Venezia. Al año siguiente, mientras participa en la Prima Mostra del Paesaggio Italiano y en la Esposizione Nazionale della Citta di Roma, paradójicamente, su envío para el Salón Nacional es rechazado por el jurado. Luego, durante su viaje a Viena y a varias ciudades alemanas, expone en la Galería Der Sturm de Berlín, con gran éxito. En 1924 Filippo Marinetti le presenta a Léonce Rosenberg, quien se ofrece a ser su marchand, y le desaconseja la muestra que planeaba realizar en la Argentina. En efecto, las obras de Pettoruti presentadas ese año en el Salón Witcomb de Buenos Aires son objeto de una encendida polémica, aunque abren cauce a la renovación plástica.
Dirige el Museo Provincial de Bellas Artes de La Plata entre 1927 y enero de 1932, fecha en que es cesado; pero pronto es restituido en el cargo. Expone en el Círculo de Bellas Artes, Montevideo (1939); en Amigos del Arte, Buenos Aires (1940); en el Museum of Art de San Francisco (1944), y en la National Academy, Nueva York (1944). En 1947 es separado nuevamente de su cargo como director del Museo Provincial.
Retorna a Europa, donde exhibe en las galerías Il Milione, Milán (1952); Número, Florencia (1952), y San Marco, Roma (1953). Se establece en París y expone en Durand-Ruel (1954); en Arte abstracto, Las primeras generaciones 1910-1939, Musée d'Art de Saint Etienne (1957); en 50 años de pintura abstracta, organizada por Michel Seuphor, y en otras muestras individuales que acercaron su obra al público de esa ciudad. Desde 1959 participa en el Salon des Réalités Nouvelles. En 1960 integra la Primera exposición internacional de arte moderno, Museo de Arte Moderno, Buenos Aires, y Construction and Geometry in Painting, Nueva York. En 1961 comparte con los artistas más importantes de la abstracción internacional la exposición Arte abstracto constructivo internacional, presentada por la Galerie Denise René, París.
En 1966 viaja a la Argentina y concluye sus memorias, publicadas con el título Un pintor ante el espejo. Recibe el Premio Continental Guggenheim de las Américas (1956) y el Gran Premio otorgado por el Fondo Nacional de las Artes (1967). En sus últimos años presenta exposiciones en Bonn, Berlín, Bruselas y Ginebra, entre otras ciudades europeas, y representa a la Argentina en la XI Bienal Internacional de Sao Paulo, Brasil (1971). Fallece en París el 16 de octubre de 1971, a los 79 años de edad.