Als Tochter eines Ingenieurs und einer Ärztin wächst Petra Morsbach mit ihren beiden Geschwistern in Berg am Starnberger See auf. In Starnberg besucht sie das Gymnasium, nach dem Abitur (1975) studiert sie Theaterwissenschaften, Psychologie und Slawistik an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Noch vor dem Magister (1981) realisiert sie mit Georg Friedrich Händels Belshazzar am Bayerischen Staatsschauspiel ihre erste eigene Inszenierung. Nach einem Gastjahr an der Leningrader Theaterakademie promoviert sie 1983 mit einer Arbeit über Isaak Babel.

Zehn Jahre arbeitet Morsbach an deutschen Provinztheatern in Freiburg, Ulm, Eisenach, Leipzig, Schwerin, Bruchsal und Bonn. 1990 kündigt sie ihr Engagement, um als freie Regisseurin tätig zu werden. Durch den schweren Hörverlust infolge einer Krankheit (1995) muss sie jedoch Abschied von der Musik nehmen.

Seit 1991 beginnt sie zu schreiben: ihr erster Roman Plötzlich ist es Abend wird, trotz Ablehnung beim Ingeborg-Bachmann-Wettbewerb 1995, von der Kritik positiv aufgenommen und ein Longseller. Drei Jahre danach erscheint ihr in einem Theaterbetrieb in der Provinz spielender Opernroman (1998). Es folgen die Romane Geschichte mit Pferden (2001), Gottesdiener (2004), Der Cembalospieler (2008) und, zusammen mit der Grafikerin Ingried Wohllaib, Gasthauskind (2009).

Für ihre präzisen Beobachtungen aus dem Milieu greift Petra Morsbach immer wieder auf ihren persönlichen Erfahrungsschatz zurück: Jährliche Russlandaufenthalte werden die Quelle für ihren Leningrader Roman Plötzlich ist es Abend; ihre langjährigen Theatererfahrungen fließen in den Opernroman ein; für die Geschichte mit Pferden lebt sie selbst auf einem Bauernhof; für die Kurzgeschichte Fallhöhe nimmt sie Flugstunden bei einem früheren NVA-Jagdflieger; in Vorbereitung auf den Roman Gottesdiener hospitiert sie in einer niederbayerischen Pfarrei und besucht Vorlesungen an der Münchner Hochschule der Jesuiten. Dabei glaubt sie nicht, „dass dem Menschen eine illusionslose Beobachtung möglich ist“.

In ihrem Essayband Warum Fräulein Laura freundlich war. Über die Wahrheit des Erzählens (2006) analysiert sie den Zusammenhang zwischen Sprache, Erzähler und Erzähltem und wendet ihre Theorie auf drei Werke der deutschsprachigen Literatur (Andersch, Reich-Ranicki, Grass) an. Ohne zu verurteilen zeigt sie, wie die Autoren von ihrer eigenen Sprache entlarvt werden.

Neben etlichen Stipendien, darunter der Landeshauptstadt München (1992), der Calwer Hermann-Hesse-Stiftung (2000), des Internationalen Künstlerhauses Villa Concordia (2004), des Deutschen Studienzentrums in Venedig (2006) und der Deutschen Akademie Rom (2007), erhält Morsbach den Marieluise-Fleißer-Preis (2001), den Johann-Friedrich-von-Cotta-Literaturpreis (2005), den Literaturpreis der Konrad-Adenauer-Stiftung (2007), den Kulturpreis für Literatur des Landkreises Starnberg (2008) sowie den Kulturpreis Bayern der E.ON Bayern AG (2010). 2008 ist sie Gastautorin in der Türkei und Writer-in-Residence in Meadville/Pennsylvania, 2012 Inselschreiberin auf Sylt. Im selben Jahr erhält sie sowohl die Auszeichnung Pro Meritis als auch ein Literaturstipendium des Freistaats Bayern. 2013, da auch ihr Roman Dichterliebe erscheint, wird sie mit dem Jean-Paul-Preis des Freistaates Bayern ausgezeichnet. 2016 erhält Petra Morsbach ein Stipendium des Adalbert Stifter Vereins, 2017 den Wilhelm-Raabe-Literaturpreis und 2021 den Bayerischen Verdienstorden.

Morsbach ist Mitglied des P.E.N. und seit 2004 Ordentliches Mitglied der Bayerischen Akademie der Schönen Künste. Sie lebt in Starnberg.