Carriera Nel 2012 debutta tra gli Elite/Under-23 con la bresciana Delio Gallina-Colosio-Eurofeed, mentre nel 2014 si trasferisce tra le file del team Continental Area Zero. Nel 2015, correndo per la Unieuro-Wilier, è in evidenza vincendo una tappa e la classifica finale della Ronde de l'Isard d'Ariège; nella stessa stagione si piazza terzo al Giro della Valle d'Aosta e quinto sia al Tour de l'Avenir che al Piccolo Giro di Lombardia.
Nel 2016 debutta tra i professionisti con la maglia della Lampre-Merida di Giuseppe Saronni, ottenendo come miglior piazzamento il settimo posto al Giro dell'Appennino, a 25" dal vincitore Sergej Firsanov. In stagione riesce a portare a termine anche il suo primo Giro d'Italia. Nel 2017, correndo per la UAE Team Emirates (ex Lampre), prende nuovamente il via del Giro d'Italia. Nella quarta tappa della corsa, sull'arrivo in salita sull'Etna, tiene il ritmo dei migliori e chiude al dodicesimo posto di giornata, nello stesso gruppo dei favoriti Vincenzo Nibali e Nairo Quintana; concluderà la corsa al 26º posto. Nello stesso anno è undicesimo alla Colorado Classic. Nel 2018 è nono all'Adriatica Ionica Race e partecipa alla sua prima Vuelta a España, ritirandosi, mentre nella stagione seguente è decimo al Giro di Sicilia.
Nel 2020 si trasferisce tra le file del ProTeam belga Circus-Wanty Gobert. L'anno successivo, la squadra diventerà WorldTour.
Simone Petilli è tutt'ora parte del team belga, con il quale ha conquistato il 9º posto nell'edizione del 2022 delle Strade Bianche e il 3º posto nella settima tappa del Giro d'Italia del 2023, dopo una notevole fuga fino a Campo Imperatore.
Il 15 settembre 2025 annuncia tramite un post sul suo profilo instagram il ritiro a fine della stagione dal ciclismo professionistico.
Palmarès 2015 (Unieuro-Wilier, due vittorie) 1ª tappa Ronde de l'Isard d'Ariège (Mirepoix > Goulier Neige) Classifica generale Ronde de l'Isard d'Ariège
Altri successi 2013 (Delio Gallina-Colosio-Eurofeed Under-23) Classifica scalatori Giro della Valle d'Aosta
2014 (Area Zero Pro Team) Classifica giovani Settimana Internazionale di Coppi e Bartali
2015 (Unieuro-Wilier) Classifica giovani Settimana Internazionale di Coppi e Bartali
Piazzamenti Grandi Giri
Giro d'Italia 2016: 77º 2017: 26º 2021: 44º 2023: ritirato (10ª tappa) 2025: 60º
Vuelta a España 2018: ritirato (10ª tappa) 2021: 29º 2023: 58º 2025: 95º
Classiche monumento
Milano-Sanremo 2022: 69º
Liegi-Bastogne-Liegi 2017: 36º 2020: 61º 2022: 94º
Giro di Lombardia 2016: 41º 2017: ritirato 2019: 65º 2020: 30º 2021: 42º 2022: 35º 2023: 93º
Note
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