Petra Müller studierte Germanistik, Kunstgeschichte und Ethnologie an der Universität Köln. Sie startete ihre Karriere in einer Unternehmensberatung für strategisches Marketing in Köln, bevor sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin zum Adolf-Grimme-Institut nach Marl wechselte. Am Grimme-Institut war sie Projektleiterin, später Direktorin des Film- und Fernsehfestivals Cologne Conference und anschließend geschäftsführende Gesellschafterin der gemeinsam mit Lutz Hachmeister und Martina Richter gegründeten HMR International – Gesellschaft für Medienberatung.
Als Geschäftsführerin der Medienboard Berlin-Brandenburg GmbH wechselte Müller Anfang 2004 nach Berlin bzw. Potsdam-Babelsberg. Dort war sie u. a. verantwortlich für Strategie, Marketing und Kommunikation des Medienstandorts Berlin-Brandenburg und zuständig für die Förderung von Standortprojekten in Film und Medien sowie für die Förderung von innovativen audiovisuellen Inhalten. Seit September 2010 ist Petra Müller Geschäftsführerin der Film- und Medienstiftung NRW in Düsseldorf. Müller ist Mitherausgeberin des Jahrbuch Fernsehen und Mitglied des ZDF-Fernsehrates. Seit 1999 hat sie zudem die Leitung des Ständigen Sekretariates des Deutschen Fernsehpreises inne.