Swój wpływ na cesarza przypłacił nie tylko niechęcią Seneki, ale również nienawiścią prefekta pretorianów Ofoniusza Tygellinusa, który wykorzystał spisek na życie Nerona (65) do oskarżenia Petroniusza o kontakty z jednym z przywódców spisku, Gajuszem Pizonem. W związku z tym, podobnie jak Seneka i Lukan, zmuszony był popełnić samobójstwo.
Spodziewając się nieuchronnego wyroku śmierci, urządził ucztę, w trakcie której otworzył sobie żyły i zacisnął je opaską, aby opóźnić zgon. Przez kilka godzin dokonywał dyspozycji majątkowych, ucztował, rozmawiał z przyjaciółmi, słuchał recytacji i muzyki. W końcu zapadł w sen wieczny.
W kulturze współczesnej Petroniusz jest jednym z głównych bohaterów powieści Quo vadis Henryka Sienkiewicza. W kilkakrotnie ekranizowanym utworze w postać tę wcielili się: we włoskiej adaptacji z 1912 roku – Gustavo Serena, w kolejnym włoskim filmie niemym – Andrea Habay, w amerykańskim filmie z 1951 Leo Genn, w włoskim miniserialu z 1985 Frederic Forrest, zaś w polskim filmie fabularnym z 2001 i serialu z 2002 – Bogusław Linda.
Spopularyzowaną dzięki powieści postać malował Piotr Stachiewicz, który obok rosyjskiego artysty Konstantina Makowskiego utrwalił scenę też spektakularnej śmierci Petroniusza i Eunice.