A área do antigo município de Petrolândia era primitivamente habitada por índios da tribo Pankararus. Quando os colonizadores e missionários chegaram à região, no século XVIII, foram fundadas as fazendas Brejinho da Serra e de Fora. A partir daí começaram a surgir os primeiros povoamentos, dedicados apenas à pecuária extensiva. No início da construção das primeiras casas o local tornou-se conhecido como Jatobá ou Bebedouro do Jatobá, em virtude da ocorrência de vários jatobazeiros e, ainda, pelo fato de situar-se à margem do rio São Francisco, servindo de bebedouro para os vários rebanhos que cruzavam o estado em direção à Bahia, Alagoas e Sergipe; o local era frequentado apenas por vaqueiros. Um Alvará Régio de 24 de maio de 1808 criou o distrito e freguesia, com a denominação de Tacaratu, subordinado a Petrolândia. O distrito foi elevado à categoria de vila, com a mesma denominação e com sede na própria povoação, pela Lei Provincial nº 248, de 16 de junho de 1849.

Em 1877 começou a construção de uma ferrovia ligando Piranhas (AL) a Jatobá, a primeira a chegar ao sertão pernambucano. Quando a estrada de ferro atingiu o local, em 1883, várias casas foram construídas, inclusive algumas destinadas aos administradores e funcionários que nela trabalhavam. A partir de então Jatobá teve um grande desenvolvimento e o comércio tornou-se o mais florescente do sertão. Em 1º de maio de 1887 a Lei Provincial nº 1.885 elevou a povoação de Jatobá à categoria de vila e para ela transferiu a sede do município de Tacaratu, o qual passou então a pertencer a Jatobá. A criação do distrito de Jatobá foi confirmada por Lei Municipal de 10 de agosto de 1892. Os distritos de Espírito Santo e Volta do Moxotó foram criados por Lei Municipal de 27 de setembro de 1897.

A Lei Estadual nº 991, de 1º de julho de 1909, elevou Jatobá à categoria de cidade. Em divisão administrativa referente ao ano de 1911, o município é constituído de quatro distritos: Jatobá (sede), Tacaratu, Espírito Santo e Volta do Moxotó. Em dezembro de 1926 a Lei Estadual nº 1.830 transferiu para Tacaratu a sede do município de Jatobá, o qual foi rebaixado a distrito de Tacaratu. A mesma lei, em seu art. 2º, elevou a vila de Tacaratu à condição de cidade. Pela Lei Estadual nº 1.931, de 11 de setembro de 1928, foi extinto o distrito de Espírito Santo, sendo seu território anexado ao distrito de Moxotó. Em divisão administrativa referente ao ano de 1933 o município é constituído de três distritos: Tacaratu, Jatobá de Tacaratu (ex-Jatobá) e Moxotó (ex-Volta do Moxotó).

A vila de Jatobá de Tacaratu, então pertencente ao município de Tacaratu, passou a denominar-se Itaparica pela Lei Estadual nº 12, de 11 de setembro de 1935. Em divisões administrativas datadas de 31 de dezembro de 1936 e 31 de dezembro de 1937, o município aparece constituído dos seguintes distritos: Tacaratu, Itaparica e Moxotó. Pelo Decreto-lei Estadual nº 235, de 09 de dezembro de 1938, a sede do município passou a denominar-se Itaparica, voltando Tacaratu à condição de distrito, o segundo do novo município, o qual foi instalado em 1º de janeiro de 1939. No quadro fixado para vigorar no período 1939-1943 o município de Itaparica aparece com três distritos: Itaparica (sede), Tacaratu e Volta (ex-Moxotó).

Pelo Decreto-lei Estadual nº 952, de 31 de dezembro de 1943, Itaparica passou a denominar-se Petrolândia (município, 1º distrito, cidade). A mesma lei criou a respectiva comarca (desmembrada da comarca de Floresta) cujo primeiro juiz foi Antônio Correia de Araújo. O topônimo Petrolândia é um híbrido do latim Petrus com lândia, da desinência anglo-saxônica land (terra). É uma homenagem ao imperador Pedro II, significando “Terra de Pedro”. Em divisão territorial datada de 1º de julho de 1950 o município é constituído de três distritos: Petrolândia, Tacaratu e Volta. A Lei Estadual nº 1.818, de 29 de dezembro de 1953, desmembrou de Petrolândia o distrito de Tacaratu, o qual foi elevado novamente à categoria de município e sede de comarca (ver Aspectos Históricos de Tacaratu). Em divisão territorial datada de 1º de julho de 1960 o município aparece com dois distritos: Petrolândia e Volta.

Entre os anos de 1987 e 1988, ao final da construção da Usina Hidrelétrica de Itaparica, atual Hidrelétrica Luiz Gonzaga, a antiga cidade de Petrolândia teve que ser inundada pelas águas do lago de Itaparica, construído pela Companhia Hidrelétrica do São Francisco - CHESF, como parte do sistema de geração de energia. Mais de 800 km2 de terras ficaram submersas, acumulando cerca de 11 bilhões de metros cúbicos de água. Como medida compensadora às perdas a que seriam submetidas a população e a base econômica local, a CHESF construiu, de forma planejada, a cidade de Nova Petrolândia, em níveis altimétricos superiores ao nível do lago, para realocar a população e os serviços básicos que ela demandava. A nova cidade foi dotada de uma série de equipamentos urbanos, como escolas e postos de saúde, com elevado percentual de ruas pavimentadas, abastecimento d’água e tratamento de esgoto. Nas proximidades da nova cidade foram também implantados alguns projetos de irrigação, como forma de devolver à população realocada uma base econômica similar à que ela dispunha antes da formação do lago de Itaparica. A denominação de Nova Petrolândia não foi aceita pela população, que passou a chamá-la simplesmente Petrolândia, nome que ficou oficialmente adotado.

Em divisão territorial de 18 de agosto de 1988 o município aparece com os distritos de Petrolândia e Volta. Pela Lei Municipal nº 645, de 1º de junho de 1990, foi criado o distrito de Jatobá, subordinado ao município de Petrolândia. Em divisão territorial datada de 1º de junho de 1995, o município é constituído de três distritos: Petrolândia, Jatobá e Volta. A Lei Estadual nº 11.256, de 28 de setembro de 1995, desmembrou de Petrolândia os distritos de Jatobá e Volta do Moxotó (ex-Volta), para formar o novo município de Jatobá, criado pela mesma lei. Em divisão territorial datada de 15 de julho de 1997 o município é formado apenas pelo distrito sede, assim permanecendo em divisão territorial de 2005. A comarca de Petrolândia é classificada como de 1ª entrância e engloba o termo judiciário de Jatobá.