Aparece por toda Europa, las islas atlánticas y el norte de África, y penetra en Asia hasta los Urales y el mar Caspio.
En invierno desaparece de las localidades más septentrionales de Europa y Asia, y amplía su área de distribución en África y Oriente Próximo. Siendo una especie sedentaria en la Península, durante la invernada se ve fuertemente incrementada la población por la llegada de numerosos ejemplares desde el centro y norte de Europa.
Se han descrito numerosas subespecies.
Las poblaciones reproductoras españolas se asignan a la subespecie rubecula. No obstante, se aprecia una disminución gradual en el tamaño corporal de norte a sur, de modo que las poblaciones septentrionales se han relacionado con la subespecie británica melophilus, y las meridionales se han descrito como pertenecientes a witherbyi e hispanica. Además, en las islas Canarias se admite la presencia de dos formas: en Tenerife y Gran Canaria habita la subespecie endémica superbus, mientras que en La Palma, La Gomera y El Hierro vive rubecula.
En invierno resulta muy común en toda la Península, Ceuta, Baleares y Canarias, pero evita las montañas, sobre todo en la mitad norte. En cambio, en primavera se invierte el patrón, y su distribución se ajusta a grandes rasgos a los territorios con precipitaciones elevadas o moderadas (pocas veces inferiores a los 600 milímetros anuales). En efecto, en esa época se localiza principalmente en el norte de España, exceptuando los valles del Ebro y del Duero, y penetrando hacia el sur a favor de las montañas (Sistema Ibérico, Sistema Central, Montes de Toledo, Las Villuercas, Sierra Morena y sierras béticas) y de los bosques de ribera. Desaparece en Baleares y se mantiene en Canarias.
Para más información sobre su distribución territorial y otros datos de interés, consulta la ficha del petirrojo europeo en el III Atlas de las aves en época de reproducción en España.
El petirrojo tiene un comportamiento sedentario o migrador, según el territorio considerado en su rango de distribución euroasiático. Las poblaciones del norte de Europa (Escandinavia, Rusia y mitad norte de Europa oriental) son migradoras totales. Por el contrario, las poblaciones de las islas atlánticas, Europa occidental y el norte de África son sedentarias, aunque también experimentan movimientos migratorios. Las instaladas en los bosques montanos descienden a cotas altitudinales bajas en invierno, fenómeno resulta muy frecuente en España.
A su vez, el anillamiento científico revela que, en los meses invernales, la Península Ibérica y Baleares albergan nutridas poblaciones procedentes de toda Europa. Tanto en otoño (septiembre-noviembre) como a principios de la primavera (febrero-abril), en el estrecho de Gibraltar se registra un importante trasiego de petirrojos europeos que invernan al sur del Sáhara.
En la Lista Roja Europea de Aves 2021 la población Reproductora europea se estima entre 109.000.000 y 168.000.000 ejemplares maduros, con tendencia creciente.
En España se calcula la existencia de 7.100.000 individuos, con amplia representación en todas las Comunidades Autónomas, si bien las cifras más elevadas se dan en las regiones del tercio norte peninsular. La tendencia de las poblaciones ibéricas es positiva, probablemente como respuesta al abandono de áreas de cultivo y su consecuente reforestación.