Il pittoresco borgo medioevale arrampicato su un colle, si avvolge a spirale attorno ad un'unica e antica strada. I resti delle vecchie mura, le antiche case ed i palazzi, le chiese, le scalette che si inerpicano fino al culmine della torre e delle case, hanno conservato di Petroio il caldo color biondo dell'arenaria con cui è stato costruito. La sua origine è etrusca come testimoniano il nome, derivante dall'antico Petruni, ed i reperti archeologici rinvenuti nel territorio. Nei documenti più antichi figura con il nome di "Castro Pretorio", ma la denominazione Petroio risale ad una bolla concistoriale degli annali Camaldolesi del 1180.
Petroio è stato insieme a Trequanda, uno dei possedimenti dei Signori Cacciaconti della Scialenga e sottoposto poi all'autorità della Repubblica di Siena. Il borgo diventò feudo prima dei Salimbeni verso la fine del XIV sec. e poi dei Piccolomini Bandini ed alla caduta della Repubblica di Siena passò sotto il Granducato di Toscana.
Dell’antica cinta muraria rimangono solo alcune torri sbassate e una croce scolpita dai Templari ove un tempo si apriva la porta di accesso.
Dal muretto che costeggia la strada, sulla sinistra prima di entrare nel paese, si può notare in basso, la piccola chiesa di Sant'Andrea, sede dell'antico Spedale. Proseguendo il cammino - dopo la fabbrica di terrecotte con la vecchia ciminiera - si incontra la chiesa romanica di San Giorgio, la più antica di Petroio, in cui sono custodite tele del XVII e XVIII sec. Si arriva così all’austero palazzo Pretorio, oggi sede del museo della Terracotta appartenente al circuito del sistema museale senese.
Sulla piazzetta omonima si trova la chiesa dei SS. Pietro e Paolo, nella quale è custodita una tela ad olio del pittore senese Rutilio Manetti raffigurante l'Ascensione ed una pregevole tela del pittore senese Taddeo di Bartolo avente ad oggetto la Madonna col Bambino. La strada a spirale termina al sommo del borgo dirimpetto alla Torre Civica, in grossi blocchi di tufo squadrati, e al Cassero - XII sec. – prima abitazione dei signori Cacciaconti.
Al termine della scala d'accesso la piccola statua in terracotta ad effige di Bartolomeo Garosi detto il Brandano, famoso ed eccentrico predicatore del Cinquecento. La caratteristica del paese è l'uso ornamentale degli originali e preziosissimi manufatti in terracotta, ancor oggi prodotti dagli artigiani: cani vigilanti, leoni, pigne, vasi ed anfore, orci, edicole sacre, balconi, grondaie e comignoli.