Efter juris kandidatexamen vid Lunds universitet 1939 och filosofie kandidatexamen 1932 genomgick Petrén tingstjänstgöring i två år. 1943 blev han assessor vid Svea hovrätt, och 1950 utrikesråd och chef vid Utrikesdepartementets rättsavdelning. Han utsågs till ambassadör 1957. Han var president för Svea hovrätt 1963–1967.
Vid sidan av sin ordinarie tjänt, var Petrén aktiv inom olika nationella och internationella skiljedomsverksamheter. Han var bland annat ledamot av Internationella domstolen i Haag, som ende svensk hittills. Han var även verksam som sakkunnig i 1948–1959, ombud vid konferenser, samt ledamot av från och med 1952. Därtill ingick han i Europarådets kommission för de mänskliga rättigheterna från 1954.
Petrén var ledamot i Svenska akademien från och med 1969 på stol nummer 1.
| Företrädare: } | Svenska Akademien, Stol nr 1 1969–1976 | Efterträdare: } |