Geboren am 9. August 1963 in Berlin; verheiratet.
Petra Pau absolvierte die Allgemeinbildende Polytechnische Oberschule in Berlin. Ein erstes Studium beendete sie als Lehrerin für Deutsch und Kunsterziehung, ein zweites als Diplom-Gesellschaftswissenschaftlerin.
In den 1980er Jahren arbeitete Petra Pau als Lehrerin und Pionierleiterin sowie als Mitarbeiterin des Zentralrates der FDJ für moderne Freizeitpädagogik.
1990 wurde sie für die PDS Bezirksverordnete in Berlin-Hellersdorf. 1992 bis Ende 2001 war sie Landesvorsitzende der PDS. 1995 errang sie ein Direktmandat für das Berliner Abgeordnetenhaus.
1998, 2002, 2005, 2009 und 2013 gewann sie jeweils ein Direktmandat für den Deutschen Bundestag. Dort wurde sie 2006, 2009, 2013 und 2017 auch zur Vizepräsidentin des Deutschen Bundestages gewählt.