Уезд располагался на севере Саратовской губернии, граничил с Пензенской губернией. Площадь уезда составляла в 1897 году 6 509,6^[1] верст² (7 408 км²), в 1926 году — 7 766^[2] км².

Уезд образован в 1780 году в составе Саратовского наместничества в результате реформы Екатерины Великой. С декабря 1796 по март 1797 — в составе Пензенской губернии.

В 1928 году Петровский уезд был упразднён, на его территории образован Петровский район Саратовского округа Нижне-Волжской области (позднее Нижне-Волжского края).

По данным переписи 1897 года в уезде проживало 222 070^[1] чел. В городе Петровск проживало 13 304 чел.

По итогам всесоюзной переписи населения 1926 года население уезда составило 323 562 человек^[2], из них городское (Петровск) — 19 192 человек.

В 1890 году в состав уезда входило 30 волостей^[4][5]: