Vivió durante el período Carbonífero Superior en lo que ahora es América del Norte, siendo hallada la especie tipo, P. kansensis como su nombre indica en estratos rocosos de Kansas, Estados Unidos que datan del Pennsylvaniense, hace aproximadamente 302 millones de años, por Henry Higgins Lane, el curador del Museo de Historia Natural de la Universidad de Kansas, en 1945.

Petrolacosaurus kansensis es la única especie reconocida en la familia Petrolacosauridae —nombrada en 1952 por Frank Peabody— en el orden Araeoscelida.

Sus patas eran más largas que las de un lagarto típico, y su cola era tan larga como la cabeza y el tronco juntos.

Probablemente comía insectos, que atrapaba con sus dientes pequeños y afilados.

Petrolacosaurus tenía dientes caninos secundarios distintivos, un rasgo hallado sobre todo en terápsidos, y más tarde en los mamíferos.