Nach dem Schulabschluss 1979 an der Polytechnischen Oberschule (POS) begann eine Ausbildung am Zentralinstitut der Pionierorganisation Droyßig sie 1983 als Freundschaftspionierleiterin und als Lehrerin für Deutsch und Kunsterziehung beendete. Bis 1985 war sie im erlernten Beruf tätig begann dann ein Studium an der SED -Parteihochschule " Karl Marx " welches sie 1988 als Diplom-Gesellschaftswissenschaftlerin abschloss. Sie war dann 1990 Mitarbeiterin beim Zentralrat der FDJ . Ab Januar 1991 war sie hauptamtlich für die PDS tätig.
Seit 1983 ist Petra Pau Mitglied der SED 1990: PDS). Im Jahr 1991 war sie einige Monate Bezirksvorsitzende der PDS in Berlin- Hellersdorf . Sie wurde dann im Oktober 1991 Stellvertretende Vorsitzende und im Oktober 1992 schließlich Landesvorsitzende der PDS in Berlin. Amt gab sie im Dezember 2001 an Stefan Liebich ab. Von 2000 bis 2002 war sie außerdem Stellvertretende Bundesvorsitzende der
1990 wurde sie für die PDS Mitglied Bezirksverordnetenversammlung von Berlin-Hellersdorf. 1995 wurde sie dann in das Abgeordnetenhaus von Berlin gewählt.
Bei der Bundestagswahl 2002 scheiterte die PDS an der Fünf-Prozent-Hürde . Da Petra Pau aber mit 37 % der Stimmen im Wahlkreis 86 (Berlin- Marzahn - Hellersdorf) ein Direktmandat errungen hatte sie seitdem fraktionslose Abgeordnete im Deutschen Bundestag. PDS gehört im Deutschen Bundestag neben ihr noch Gesine Lötzsch an.