Tanult a Szegedi Tudományegyetem orvosi karán, majd 1958-ban a Semmelweis Orvostudományi Egyetemen szerzett orvosi diplomát (summa cum laude). Miskolcon, a Borsod Megyei Kórház belgyógyászatán kezdett dolgozni, majd a SOTE I. számú Sebészeti Klinikájára került, 1961-ben pedig a Rusznyák István által létrehozott MTA Orvosradiológiai Kutatócsoport tudományos munkatársa lett. 1964-ben radiológiából tett szakvizsgát.[2]
1970-től volt az Országos Haematológiai és Vértranszfúziós Intézet munkatársa, előbb a transzplantációs immunológiai osztály vezetője, majd a főigazgató általános helyettese, végül 1990-től 2001-ig az intézet főigazgatója. Időközben két évet Stockholmban, Klein György mellett töltött, és hosszabb időn át Bostonban, a Harvard Egyetemen kutatott. Munkáját 1983-ban Állami Díjjal ismerték el.
1991 és 1998 között a Haynal Imre Egészségtudományi Egyetem immunológiai tanszékvezető egyetemi tanára, 1993-tól pedig az egyetem tudományos rektorhelyettese, majd professor emeritus lett, és a Semmelweis Egyetem Kutatáskoordinációs és Nyilvántartó Központjának igazgatója volt.
1979-től 1985-ig a Magyar Immunológiai Társaság főtitkára, majd 1992-ig elnöke volt, valamint kuratóriumi elnöke volt a Magyar Vesebetegekért Alapítványnak is.[3][4]
1990-ben a Magyar Tudományos Akadémia levelező, 1998-ban rendes tagja lett.[5] 2009-ben a magyarországi szervtranszplantáció immunológiai feltételeinek megteremtéséért, a habituális, visszatérő vetélések megszüntetése érdekében kidolgozott hatékony immunoterápiás eljárás bevezetéséért Széchenyi-díjat kapott.[4]
1964-ben vette feleségül Jakab Emőkét, fiuk Petrányi Zsolt (1966–) művészettörténész, a Műcsarnok főigazgatója.[6] Távoli rokona Klebelsberg Kuno művelődéspolitikus, kultuszminiszter.[2]
