Petra Kray hat von 1976 bis 1978 an der Freien Universität Berlin Psychologie studiert. Im Anschluss daran ist sie für zwei Jahre als Garderobiere an der Schaubühne am Halleschen Ufer tätig. Zwischen 1981 und 1985 absolviert sie ein Kostümstudium an der Hochschule der Künste Berlin (heute: Universität der Künste). Seit 1983 arbeitet sie als Kostümbildnerin für Film, Fernsehen, Oper und Theater. Wiederholt ist Petra Kray an den Filmen Margarethe von Trottas beteiligt, so an "Rosa Luxemburg" (1984) und "Das Versprechen" (1993/94). Des Weiteren zeichnet sie für die Kostüme in den Filmen "Vergiss Amerika" (1999/2000) und "Komm näher" (2005/06) von Vanessa Jopp verantwortlich. Für Achim Bornhaks Uschi-Obermaier-Biografie "Das wilde Leben" (2005-07) lässt sie die Mode der 68er auferstehen. Dafür wird sie 2008 in der Kategorie "Bestes Kostümbild" für den Deutschen Filmpreis nominiert.

Daneben war und ist Petra Kray an vielen europäischen Theatern und Opernhäusern engagiert. So zählen die Opera de la Monnaie in Brüssel, die Staatsoper Nürnberg und die Mailänder Scala sowie das Berliner Ensemble, das Stadttheater Bremen und das Burgtheater Wien zu Stationen ihrer Laufbahn. Seit 2009 ist sie als Dozentin im Fach Filmkostüm an der FH Hannover / Design und Medien tätig.

Petra Kray ist Mitglied im S/F/K – Verband der Szenenbildner, Filmarchitekten und Kostümbildner in Europa e.V. und lebt in Berlin.