Va viure i va estudiar als Estats Units de 1959 a 1970. El seu nom de soltera era Petra Karin Lehmann però va canviar el seu nom pel de Kelly després de casar-se la seva mare amb el qual seria el seu padrastre, un Oficial de l'Armada Americana. Va ser educada de molt jove en la religió catòlica en un convent de Günzburg i posteriorment va assistir al col·legi a Geòrgia quan la seva família va ser traslladada als Estats Units. No obstant això, va mantenir la seva ciutadania alemanya durant tota la seva vida.
Va ser una admiradora de Martin luther King, Jr; va fer campanya a favor de Robert F. Kennedy i Hubert H. Humphrey en les eleccions de 1968, als Estats Units. Va estudiar ciències polítiques a la School of International Service de Washingthon el 1966 i va ser graduada a la Universitat d’Amsterdam el 1971. Mentre treballava a la Comissió Europea a Brusel·les, de 1971 a 1983, va participar en nombroses campanyes a favor de la pau i el medi ambient tant a Alemanya, com en altres països. Petra Kelly va ser una de les fundadores del partit dels verds (1979) Entre els anys 1983 a 1990 va ser membre del Bundestang pels verds.
Kelly va rebre el Rignht Livelihood Award (conegut també com el Premi Nobel Alternatiu) el 1982"...for forging and implementing a new vision uniting ecological concerns with disarmament, social justice and human rights." L'any 1992  Petra Kelly moria assassinada a Bonn  per un tret quan dormia, aparentment pel seu company, exgeneral i polític del partit verd, qui després es va suïcidar. Els amics de Kelly creuen que la mort era inesperada i va ocórrer sense el seu consentiment. Tenia prop de 44 anys.