En Florencia asistió a las clases de la Academia de Bellas Artes, recorrió numerosas ciudades estudiando los maestros del renacimiento y en Milán se adhirió al grupo de los futuristas, agrupados en torno a la revista Lacerba (Carrá, Boccioni, Marinetti y Russolo), con los que realizó algunas exposiciones en Italia y Alemania. La atracción que su obra despertó en el comerciante de arte más importante de la posguerra, Herwarth Walden, le valió una invitación en 1923 para exponer en su galería de Berlín, Der Sturm. De aquí marchó a París y allí tuvo ocasión de conocer a Picasso y Juan Gris, del que recibió una importante influencia.

Tras seis meses de permanencia en la capital francesa, en 1924 regresó a Buenos Aires, y ya como cubista comprometido, realizó una pequeña exposición con trece cuadros que provocó un importante escándalo en el mundo artístico bonaerense, que le acusó de querer destruir el arte nacional Elementos cubistas y futuristas se aliaban en sus cuadros a un color en el que estaban presentes los maestros italianos del renacimiento. Con esta exposición se producen las primeras aproximaciones a la abstracción y la no figuración en Argentina.

En 1941 recorrió los museos de Estados Unidos y un año más tarde varias obras suyas fueron adquiridas por el Museo de Arte Moderno de Nueva York y el Museo de Arte de San Francisco. Durante diecisiete años fue director del Museo Provincial de Bellas Artes de La Plata (1931-1949) y también fundador y director de la revista Crónica de Arte. En 1941 fijó su residencia en París, donde moriría treinta años más tarde.

Para Petorutti la pintura es principalmente luz y color. Junto a Joaquín Torres García y Pedro Fígari forma la trilogía rioplatense con presencia permanente en los grandes catálogos del mundo.