Petronio è attestato in forma documentata come ottavo vescovo di Bologna nell’Elenco Renano, un’antica lista dei vescovi bolognesi. In base a considerazioni storiche, il suo episcopato va collocato tra il 431 e il 449 (o 450). La reale esistenza del personaggio è suffragata da due testimonianze a lui coeve: Eucherio di Lione lo cita in una lettera come esempio di persona che aveva abbandonato una posizione sociale molto elevata per entrare nell’ordine sacerdotale; Gennadio di Marsiglia descrive Petronio, vescovo di Bologna, uomo di santa vita ed esercitato fin dall’adolescenza negli studi dei monaci.