An Petra Barthels Ausbildung an der Staatlichen Schauspielschule Rostock schlossen sich Engagements u. a. an der Volksbühne in Berlin, dem Theater am Turm (Frankfurt) und dem Schauspielhaus in Hamburg an.

Neben den Bühnenengagements war sie in etwa einem Dutzend Fernsehfilmen (DDR) zu sehen u. a. „Das verlorene Paradies“, „Kalter Engel“ und „Draußen im Heidehof“. Petra Barthel ist u. a. die deutsche Stimme von Nicole Kidman, Uma Thurman, Bridget Fonda und Julianne Moore.