Son père, Jean-Baptiste Petitot, était un horloger et sa mère se dénommait Thérèse-Julie-Fortunée Gagneur. Petitot entra au séminaire du collège du Sacré-Cœur de Grancey.
En 1859, il prit les ordres mineurs de la prêtrise avant de rejoindre les oblats en septembre 1860. Sa formation a eu lieu à Notre-Dame-de-l'Osier, et le , il fut ordonné prêtre à Marseille.
En 1876, il retourna au Canada et s'établit près du Grand Lac des Esclaves. Il se maria avec Margarita Vallette, une métisse. Son état de santé (il souffrait d'une hernie abdominale) et avec l'âge ses désordres mentaux, incitèrent les missionnaires oblats à la placer dans un asile près de Montréal en 1882.
En 1883, il retourna en France. Il tenta auprès des autorités religieuses de retourner au Canada, mais le , il fut relevé de ses vœux. Le de la même année, il fut nommé curé de Mareuil-lès-Meaux.
Il publia de nombreux ouvrages linguistiques sur les Amérindiens des Territoires du Nord-Ouest et sur la géographie de ces territoires septentrionaux du Canada.
Adrien Gabriel Morice, L'Abbé Émile Petitot et les découvertes géographiques au Canada; étude géographico-historique, éditions L'Action sociale, Québec, 1923
Émile Petitot, Géographie de l'Athabaskaw-Mackenzie et des grands lacs du bassin arctique, édition inconnue, Paris, 1875
Émile Petitot, Moi, Émile Petitot, missionnaire et explorateur de l'Articque
Émile Petitot, Monographie des Dènè-Dindjié, éditions Ernest Leroux, Paris, 1876
Émile Petitot, Monographie des Esquimaux Tchiglit du Mackenzie et de l'Anderson, éditions Ernest Leroux, Paris, 1876
Émile Petitot, Vocabulaire français-esquimau, dialecte des Tchiglit, éditions Ernest Leroux, Paris, 1876
Émile Petitot, Les grands Esquimaux, éditions Plon, Paris, 1887
Émile Petitot, Traditions indiennes du Canada nord-ouest, édition Maisonneuve Frères et Ch. Leclerc, Paris, 1886
Émile Petitot, La Femme Aux Métaux : Légende Nationale Des Dénés-Couteaux-Jaunes du Grand Lac des Esclaves, Imprimerie Marguerith-Dupré, Meaux, 1888
Émile Petitot, Quinze ans sous le Cercle Polaire, éditions Dentu, Paris, 1889
Émile Petitot, La Sépulture dolménique de Mareuil-lès-Meaux Seine-et-Marne et ses constructeurs, éditions Émile Bouillon, 1892
Émile Petitot, Exploration de la région du Grand lac des Ours, éditions Téqui, Paris, 1893
Émile Petitot, Origines et migrations des peuples de la Gaule jusqu'à l'Avènement des Francs, éditions Maisonneuve, Paris, 1894
Émile Petitot, La Station néolithique de Mareuil-lès-Meaux Seine-et-Marne, Imprimerie de Marguerith-Dupré, 1895
Émile Petitot, Accord des mythologies dans la cosmogonie des danites arctiques, éditions Émile Bouillon, 1899
Émile Petitot, Mémoire abrégé sur la géographie de l'Athabaskaw-Mackenzie et des grands lacs du bassin arctique de l'Amérique, édition inconnue, date inconnue
Pierre Déléage, La Folie arctique, Zones sensibles, Bruxelles, 2017.