Fue concebida para dar continuidad a la dinastía de Aragón. Tras morir el rey Alfonso I el Batallador sin descendencia, una serie de acontecimientos llevaron a proclamar rey al religioso Ramiro, hermano menor de Alfonso I. Ramiro II, apodado «el Monje» ya que en ese momento estaba viviendo en un convento, se casó con Inés de Poitou, y de ese matrimonio nació el 29 de junio de 1136 la princesa Petronila. Un año más tarde se firman en Barbastro las capitulaciones matrimoniales con el conde de Barcelona, Ramón Berenguer IV, así quedarían unificados el reino de Aragón y el condado de Barcelona. Las condiciones las puso Ramiro II, siendo aceptadas por Ramón Berenguer IV. Se zanjaban así los problemas de sucesión en el Reino de Aragón. Ramiro II se retiró al monasterio de San Pedro el Viejo de Huesca conservando para sí el título de rey, e Inés de Poitou volvió a Francia. Petronila fue educada en la corte condal de Barcelona.
Durante este periodo se presionó desde la Corona de León para intentar casarla con Alfonso VII de León o con su hijo Sancho el Deseado, a fin de unir las coronas de León y Aragón, imponiendo a Petronila el nombre de Urraca. Finalmente no se llevó a cabo este enlace.
La boda de doña Petronila con Ramón Berenguer IV se celebró trece años más tarde en Lérida, en el mes de agosto de 1150, al alcanzar la reina la edad requerida por el Derecho Canónico para poder consumar el matrimonio, catorce años.
En marzo de 1157 nacía en Huesca el primogénito de la pareja, llamado indistintamente Alfonso y Ramón, que reinará con el nombre de Alfonso II en honor a Alfonso I. Tras la muerte de Ramón Berenguer IV en 1162, Petronila abdicó en Alfonso II el Reino de Aragón y el Condado de Barcelona en documento fechado el 18 de julio de 1164. Tras renunciar a su corona y a segundas nupcias, vivió privada y santamente el resto de sus años.
Murió en Barcelona el 15 de octubre de 1173. Fue enterrada en la Catedral de Barcelona.
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