Родился 11 марта 1818 г. во французском городе Марселе в семье балетмейстера Жана-Антуана Петипа и драматической актрисы Викторины Морель-Грассо. При рождении получил имя Альфонс Виктор Мариус Петипа.
В возрасте четырех лет вместе с семьей переехал в Брюссель, куда его отец был приглашен на работу в театр оперы и балета.
Изначально учился музыке по классу скрипки. В семь лет начал заниматься хореографией у своего отца, хотя по собственным воспоминаниям "не чувствовал в детстве ни малейшего влечения к этой отрасли искусства". В 1831 г. впервые вышел на сцену в постановке Жана-Антуана Петипа "Танцемания". Талант юного танцовщика был оценен публикой, и в 16-летнем возрасте он получил место балетмейстера и солиста в Нантском театре.
В 1839 г. вместе с отцом работал в Нью-Йорке (США). Вернувшись во Францию, учился в школе Парижской оперы, однако не был принят в труппу и уехал в Бордо. Затем переехал в Мадрид, где с 1842 по 1846 г. занимался балетом, в частности, был танцовщиком в Театро дель Сирко.
В 1847 г. он принял приглашение директора Императорских театров Александра Гедеонова и переехал в Санкт-Петербург, где проработал практически до конца своей жизни. По одной из версий, Мариус Петипа покинул Мадрид из-за скандала, вызванного его побегом с дочерью испанского аристократа. Позднее сам балетмейстер писал, что был недоволен европейской балетной школой, где "постоянно уклоняются от настоящего серьезного искусства, переходя в танцах в какие-то клоунские упражнения".
В России он получил имя Мариус Иванович Петипа. Дебют состоялся на сцене Санкт-Петербургского Большого (Каменного) театра в октябре 1847 г. Петипа исполнил роль Люсьена в балете Жозефа Мазилье "Пахита" (музыка Эдуарда Дельдевеза), который привез в Россию из Парижа. Спустя год показал свою постановку в Московском Большом театре. Впоследствии "Пахита" Петипа шла на разных сценах. В ее последней редакции (1896 г.) исполнительницей главной партии стала Матильда Кшесинская.
В 1848 г. танцовщик вместе с отцом поставил пантомимный балет Мазилье "Сатанилла" ("Влюбленный бес").
В 1855 г. начал преподавать женский классический танец в петербургском Театральном училище.
Первый же выход на сцену принес Петипа успех у публики, хотя критики принимали его прохладно. Он зарекомендовал себя как мимический артист и характерный танцовщик. Исполнял ведущие партии в балетах "Эсмеральда", "Фауст", "Корсар", поставленных главным балетмейстером Санкт-Петербургского Большого театра Жюль-Жозефом Перро. В 1849 г. вместе с Перро представил свою версию балета Филиппа Тальони "Лида, швейцарская молочница", исполнив в нем заглавную мужскую партию Освальда. В 1855 г. создал дивертисмент "Звезда Гренады", затем балеты "Брак во времена регентства", "Парижский рынок", в которых танцевала его жена - Мария Суровщикова.
В 1859 г. стал помощником нового балетмейстера Императорских театров Артура Сен-Леона.
Первой крупной самостоятельной постановкой Петипа был балет в трех действиях "Дочь фараона" (композитор – Цезарь Пуни), в основу которого лег роман Теофиля Готье "Роман о мумии". Мариус Петипа выступил также автором либретто. Премьера балета состоялась в январе 1862 г.
В том же году Петипа был назначен штатным балетмейстером Санкт-Петербургского Большого театра. Одновременно до 1869 г. продолжал выступать на сцене в качестве танцовщика (Альберт, "Жизель"; Граф, "Своенравная жена" и др.).
С 1869 по 1903 г. занимал пост главного балетмейстера петербургской балетной труппы.
В 1869 г. Петипа поставил в Москве балет "Дон Кихот" на музыку Людвига Минкуса (в 1871 г. спектакль прошел в Санкт-Петербурге в новой редакции), в котором впервые наряду с классическим танцем широко использовались испанские народные танцы. В 1877 г. на сцене Большого театра в Петербурге состоялась премьера "Баядерки" Минкуса. В главной партии выступала Екатерина Вазем, а в 1902 г. - Анна Павлова. В основу постановки Мариуса Петипа был положен балет его родного брата Люсьена "Сакунтала", однако российская версия получила собственное хореографическое воплощение. Финальная картина балета – "Тени" - до сих пор считается образцом массового классического танца, сравнимым со сценами "Лебединого озера".
Мариус Петипа был автором около 60 оригинальных спектаклей и 20 новых редакций уже известных постановок, танцев в операх, дивертисментов. Свои лучшие работы балетмейстер осуществил в сотрудничестве с Иваном Всеволжским, директором Императорских театров в 1881-1899 гг.
Постановки хореографа вошли в фонд русской и мировой классики, среди них "Спящая красавица", "Лебединое озеро" и "Щелкунчик" Петра Чайковского, "Раймонда" Александра Глазунова. По словам критиков, вторая половина XIX века в истории русского балета по праву считается "эпохой Петипа".
В 1894 г. балетмейстер получил российское подданство.
В 1907 г. по настоянию врачей Мариус Петипа уехал в Крым, в Гурзуф. Скончался 14 июля 1910 г. в возрасте 92 лет. После смерти тело балетмейстера было перевезено в Санкт-Петербург на Волковское лютеранское кладбище. В 1948 г. его прах был перенесен на Тихвинское кладбище Александро-Невской лавры.
Официально Петипа был женат дважды, и оба раза на балеринах. Первой супругой хореографа была Мария Сергеевна Суровщикова (1836-1882). Их брак был зарегистрирован в 1854 г., распался спустя 15 лет. Второй женой Петипа стала артистка балета Императорских театров Любовь Леонидовна Савицкая. Супруги прожили вместе около 30 лет, однако официально зарегистрировали брак лишь после смерти Марии Суровщиковой в 1882 г. От двух жен Мариус Петип имел восемь детей: сыновей Ивана (род. 1859), Виктора (род. 1879) и Мария (род. 1884), а также дочерей Марию (род. 1857), Надежду (род. 1874), Евгению (род. 1877), Любовь (род. 1880) и Веру (род. 1885). Также у него были внебрачные дочь и сын - Мариус (род. 1850). Почти все дети балетмейстера связали себя с театральным искусством – драматическим и балетным.