Alistair Petrie se formó en la Academia de Música y Arte Dramático de Londres y, después de graduarse, pasó los inicios de su carrera profesional en teatro en todo el país antes de unirse a la Royal Shakespeare Company. En pantalla apareció en la película de La Duquesa (2009) y en la película de terror de 2010 Devil's Playground. Petrie apareció como Philip Lisle en The Bank Job (2008), como Felix Finch en la película de 2012 Cloud Atlas, como Stirling Moss en Rush: Pasión y gloria (2013) y como General Davits Draven en Rogue One: Una historia de Star Wars (2016). En televisión interpretó el papel de Alexander "Sandy" Langbourne en The Night Manager, el de Robert Greenlaw en Undercover de la BBC1, el papel del comandante James Sholto en el segundo episodio de la temporada 3 de la serie de televisión de la BBC Sherlock, protagonizada por Benedict Cumberbatch. En 2019, Petrie comenzó a interpretar al Sr. Groff en la serie de comedia y drama original de Netflix Sex Education.