Унук протојереја Петронија Јеремића, по коме је презиме Петронијевић добио његов отац, богослов, који није био свештеник. Бранислав Петронијевић је завршио Ваљевску гимназију у Ваљеву. У својој 19. години живота одлази у Беч на студије медицине, не толико због тог студија колико због могућности да се посвети студијама филозофије.

Докторски рад успешно је одбранио 1898. године. Исте године постављен је за учитеља језика у Трећој београдској гимназији, где истовремено предаје и филозофску пропедевтику. Крајем те године постављен је за доцента Велике школе, а већ наредне, 1899. године, постаје ванредни професор.

Године 1903. постављен је за редовног професора Велике школе, а када је ова прерасла у Универзитет опет постаје ванредни професор, да би 1919. године био изабран за редовног професора. Године 1921. Петронијевић постаје редован члан Српске краљевске академије.

Проглашен је за најважнију личност ваљевског краја свих времена. Унео је 52 новине у научни свет. Биста Бранислава Петронијевића налази се у убском градском парку.