A híd felépítését Budapest lendületes fejlődése tette szükségessé. A Fővárosi Közmunkák Tanácsa már 1906-ban javasolta, hogy a Nagykörút folytatásában - Boráros téri híd néven - épüljön híd a Dunán. A beruházás adminisztratív és pénzügyi okok, majd az első világháború kitörése miatt eltolódott, de a napirendről nem került le. A munkálatok megkezdését a Horthy Miklós kormányzóvá választásának tizedik évfordulóját megörökítő 1930. évi XI. törvénycikk rendelte el, amely arról is rendelkezett, hogy a leendő hidat (számos más intézmény mellett) Horthyról nevezzék el.

A Magyar Királyi Kereskedelmi és Közlekedésügyi Minisztérium által meghirdetett tervpályázatra tíz tervező 17 pályatervet nyújtott be. Ezek közül hármat díjaztak, további hármat megvettek, de végül a minisztérium hídosztályának vezetője, Álgyay-Hubert Pál irányításával készült felsőpályás, rácsos szerkezetű, háromnyílású hídterv megvalósítása mellett döntöttek. A költségek egyharmadát az állam, kétharmadát a főváros viselte, a pénz a Duna-híd alapba került.

A kivitelezést a budai oldalon 1933-ban, a pestin 1934-ben kezdték meg a mélyépítési munkálatokkal. Ekkor alkalmaztak Magyarországon először a parti pilléreknél nagyméretű vasbeton keszont (túlnyomásos légterű, alul nyitott süllyesztőszekrényt), az alapozást a Magyar Rádió élő adásban közvetítette a folyó fenekére lesüllyesztett légnyomásos keszonból. Az acélszerkezet gyártását, valamint a vasszerkezet szerelését és fedőmázolását a MÁVAG végezte, a híd kivitelezési munkáit Kováts Alajos építőmérnök irányította, a szerelési munka 1936-ban fejeződött be.

A különleges karcsúságú, háromnyílásos, négy fő tartószerkezetű híd 112, 154 és 112 méteres medernyílásokkal hidalta át a Dunát. Feljárókkal együtt a hossza 514 méter, teljes szélessége 22,7 méter volt, ebből 15,7 méter a fakocka burkolatú kocsipálya, két villamosvágánnyal a közepén. Oldalról két 3,5-3,5 méter széles járda fogta közre, amiből 1-1 méter kerékpárút volt, magasságilag mind az úttesttől, mind a járdától elkülönítve. A villamos felsővezetékek és az úttest fölé függesztett izzólámpatestek közös tartóoszlopait a járdaszegélyek mellett helyezték el. A budai hídfőt az osztrák-magyar haditengerészet emlékműve díszítette, a fiumei világítótorony kicsinyített másával, a pesti oldal északi részén állt az Elevátor-ház, itt volt a 6-os villamos kör alaprajzú végállomása is. A próbaterhelést 1937 augusztusában két mozdonyból és négy húsztonnás vagonból álló szerelvénnyel, valamint 32, egyenként 11 tonnás locsolókocsival tartották, az átadásra 1937. szeptember 12-én került sor. A híd és tartozékainak építése az ellenőrzési költségekkel együtt kereken tízmillió pengőbe került.

A második világháború végén, 1945. január 14-én a visszavonuló német csapatok felrobbantották a hidat. A szovjet hadsereg egy ideiglenes hadihidat emelt a hídroncsra, az 1945. április 5-én átadott szükséghídon vezetett át az a gázcső, amely a pesti oldal gázellátását biztosította. A hídroncsokat 1946-ban emelték ki, a helyreállítási munkálatokhoz 1951-ben fogott hozzá a MÁVAG. Az alépítményekben a robbantás során nem esett lényeges kár, csupán a pillérek felső részeit kellett pótolni és kijavítani, az acélszerkezet mintegy felét kellett újra legyártani.

Az új átkelő a réginél szélesebb, ennek ellenére könnyebb lett, az újjáépítés során 500 tonna acélanyagot takarítottak meg. Az úttestet 18 méterre, a kerékpárúttal ellátott járdákat 3,8 méterre szélesítették. Az úttest fölé fénycsöves világítótesteket függesztettek a régi izzólámpák helyébe. A hidat 1952. november 22-én nyitották meg a forgalom előtt, ekkor kapta új nevét is Petőfi Sándor tiszteletére.

A hídon 1966-70-ben villamosvasúti vágánycserét és kisebb javításokat végeztek, és teljesen újramázolták. 1979-80-ban a hídpályát is felújították, a teljes pályaszerkezetet átépítették. Megszüntették a kerékpárutat és az úttest szélességét 20,4 méterre növelték, a villamosvágányok sávját az úttesttel egy síkban alakították ki, hogy az autósok is használhassák, a híd így gyakorlatilag háromszor három sávossá vált. Amikor 1982-ben a Boráros teret átépítették, a villamosmegállókat középperonos aluljáróval egészítették ki.

Az utolsó komolyabb felújítás 1996-ban történt, kicserélték a budai pillér saruit, átépítették a villamospályát, amelyről leterelték a közúti járműveket, a híd így ismét kétszer kétsávos lett. A 2010-ben végzett fővizsgálat szerint a Petőfi híd felújításra szorul, mert jelentősek a korróziós károsodások, a csapadékvíz-elvezetés tönkrement. Utoljára 2013 augusztusában végeztek javításokat a Petőfi hídon, a nagykörúti villamosvágányok felújításakor.

2016. március elején tégla méretű kő- és vasbetondarabok, a változékony, csapadékos időjárás miatt meglazult útburkolati elemek hullottak a hídról a budai alsó rakpartra. Ez is mutatja, hogy milyen sürgős a Petőfi híd rekonstrukciója, amelyre a tervek szerint csak a Lánchíd felújítása után, tehát 2020-nál előbb nem kerülhet sor.