Arriva in MotoGP™ nel 2012 e tre stagioni dopo veste i colori Pramac Racing. Dimostra di essere uno specialista delle qualifiche e ottiene una serie di piazzamenti interessanti culminati col primo podio a Silverstone. Nel 2016 salta le prime quattro gare a causa di un infortunio, torna in pista in occasione del Gran Premio di Francia ed è subito protagonista arrivando settimo. Nel 2017 corre con la Ducati ufficiale sempre con la squadra satellite e sale sul podio in quattro occasioni terminando il campionato all’ottavo posto. Nel 2018 consolida la crescita: spesso in lotta per le prime posizioni, è ancora sul podio a Le Mans mentre nel 2019 veste i colori del Ducati Team. Petrux ripaga la fiducia ricevuta: è terzo a Le Mans e al Mugello firma la sua prima vittoria in MotoGP™. Dopo la pausa estiva il suo rendimento diventa irregolare passando dal terzo al sesto posto in classifica iridata. Nel 2020 è con gli stessi colori ma la stagione non è facile anche se arriva la vittoria nel GP di Francia. Per il 2021 è sancito il passaggio a KTM, scuderia Tech 3. Ancora una volta in Francia porta a casa una top 5 e poi a fine stagione lascia il mondiale. Nel 2022 lo attendono nuove esperienze nella Dakar e in MotoAmerica: nel corso della stagione però torna in MotoGP™: accade nel GP di Thailandia dove viene scelto come sostituto al posto dell'infortunato Joan Mir. Nel 2023 sostituisce l'infortunato Enea Bastianini nel Ducati Lenovo Team in occasione del Gran Premio di Francia, il GP numero 1.000 della storia.