קלארק נולדה להורים ממוצא אנגלי וולשי. אביה המציא את שמה הייחודי, וטען בבדיחות כי יצר אותו על ידי חיבור שמותיהן של שתי חברות-עבר שלו, פט ואולה.
באוקטובר 1942 נכחה קלארק בת ה-9 עם אביה בהקלטה פומבית של תוכנית רדיו, בה מסר הקהל פריסות שלום לחיילים בחזית. כאשר נקטע שידור התוכנית בשל התקפה אווירית, ביקש המנחה מהקהל מתנדבים שישעשעו את הקהל. קלארק התנדבה והופיעה ושרה בפני הקהל שיר פופולרי ישן (Mighty Lak' a Rose) בהצלחה כה רבה, עד כי כאשר חודש השידור, התבקשה לשיר את השיר בשידור כלל-ארצי. פריצתה הייתה מיידית, היא הושוותה לכוכבת-הילדה שירלי טמפל וכונתה "שירלי טמפל הבריטית". עיקר הפופולריות של קלארק הצעירה הייתה בקרב חיילים. הפופולריות שלה הייתה כה גדולה עד כי התבקשה לשיר את ההמנון הלאומי בחגיגות הניצחון בכיכר טרפלגר[1]. ה-BBC ציוות אותה עם כוכבת-ילדה אחרת, ג'ולי אנדרוז והן הופיעו יחדיו בקטעי שירה ובידור.
משנת 1944 החלה להופיע גם בסרטים. ב-1948 השתתפה בסרט Here Come the Huggetts, ראשון בטרילוגיית סרטים בכיכובה בהם הוצגה משפחת מעמד הפועלים האגט.
בשנת 1946 קיבלה רצועת-שידור בטלוויזיה במסגרת תוכנית אחר-הצהריים Cabaret Cartoons. מאוחר יותר קיבלה תוכנית טלוויזיה משלה.
קלארק הקליטה עבור חברות התקליטיםEMI ו-דקה, אך שתיהן סירבו להחתימה על חוזה ארוך-טווח. עקב כך הקים אביה יחד עם המפיק המוזיקלי אלן פרימן את "תקליטי פוליגון" ב-1947. במסגרת זו הקליטה קלארק שורת להיטים בראשית שנות החמישים.
ב-1961 הגיע שירה Sailor למקום הראשון במצעד הסינגלים הבריטי, והיה שירה הראשון שהגיע למעמד זה. ב-1963 הגיע שירה הצרפתי Chariot (שתורגם לאחר מכן ללהיט I Will Follow Him) למקום הראשון במצעד הצרפתי ולמעמד תקליט זהב, גם גרסאות השיר באיטלקית (Sul Mio Carro) ובגרמנית (Cheerio) היו ללהיטים. באותה שנה הגיע למקום הראשון בגרמניה שירה Monsieur. כמו כן הופיעה יחד עם ז'אק ברל שאף נתן לה שיר פרי עטו, דבר נדיר עבור ברל.
כוכבת בינלאומית
בשנת 1964 הקליטה את שירה המפורסם ביותר, Downtown, באנגלית ובצרפתית, מאוחר יותר הקליטה אותו גם באיטלקית וגרמנית. השיר הגיע למקומות הראשונים במצעדים ברחבי העולם בבריטניה, צרפת, הולנד, גרמניה, אוסטרליה, יפן והודו ובינואר 1965 היה שירה הראשון שהגיע למקום הראשון במצעד בילבורד הוט 100 האמריקאי, שם מכר שלושה מיליון עותקים. בשנת 2004 נכללה הקלטת השיר בהיכל התהילה של פרס גראמי. קלארק זכתה בפרס עבור השיר בשנת 1964.
Downtown היה הראשון מבין 15 שירים שהקליטה ושהגיעו כולם לצמרות מצעדי הפזמונים ברחבי העולם. בהם "I Know a Place", "My Love", "A Sign of the Times" ו-"I Couldn't Live Without Your Love". כמו כן ביצעה ב-1967 את השיר "This Is My Song" מתוך סרטו של צ'ארלי צ'פלין "הרוזנת מהונג קונג" שהיה ללהיטה המצליח ביותר לאחר Downtown (מקום ראשון במצעדי בריטניה, הולנד ואוסטרליה ומקום שלישי במצעד הבילבורד).
קלארק, שהפכה לכוכבת גם בארצות הברית, הוזמנה להשתתף מספר פעמים בתוכניות האירוח של אד סאליבן ודין מרטין. ב-1968 הוזמנה על ידי NBC להשתתף בתוכנית מיוחדת. באחד הקטעים בתוכנית שרה דואט עם הארי בלפונטה. באותם זמנים לא היה נהוג שזמרות לבנות ישירו עם זמרים אפרו-אמריקאים, ואם כן, אזי בעומדם הרחק זה מזה על הבמה. קלארק, לזעמם של מממני התוכנית, שחששו מתגובת הקהל בדרום ארצות הברית, נטלה את זרועו של בלפונטה בידה. מאחר שהיא ומפיק התוכנית, קלוד וולף, בעלה, סירבו לשדר כל צילום אחר של השיר, שידרה רשמת NBC לראשונה בתולדותיה דואט של זמרת לבנה וזמר שחור כאשר הם אוחזים ידיים.
בראשית שנות השבעים הצעידה קלארק מספר שירים במצעדי הפזמונים, אך בהצלחה פחותה מאשר בעשור הקודם.
בין דצמבר 1972 לדצמבר 1974 הנחתה את תוכנית הטלוויזיה "The Sound of Petula", בה אירחה בדרך-כלל אמן מוביל ואורחים נוספים סביב נושא מסוים שקישר בין שירי התוכנית. בין אורחיה היו סשה דיסטל, פיטר יוסטינוב, טלי סוואלס, מייקל יורק, אוסקר פיטרסון ושתי תוכניות מיוחדות לחג המולד.