C'est à Ewell, en banlieue de Londres, que Sally Olwen « Petula » Clark naît le 15 novembre 1932. La petite fille chante d'abord dans une chorale de quartier, puis avec des orchestres locaux.
La seconde guerre mondiale, et les terribles bombardements allemands que subit alors le Royaume-Uni vont lui apporter l'occasion de se faire connaître, de manière spectaculaire : à l'automne 1942, âgée de neuf ans, elle est présente dans le public d'une émission de radio de la BBC, quand un raid aérien vient semer le trouble dans l'assistance. Un membre de l'équipe de production demande à la petite fille de chanter pour calmer le public, le temps que l'alerte soit passée. Le résultat ayant été concluant, Petula Clark est rapidement invitée à se produire à l'antenne.
Encouragée par son père, qui avait lui-même rêvé d'une carrière artistique, la petite fille se lance dans une carrière de chanteuse, se voyant bientôt comparée à Shirley Temple. Petula Clark vit le reste de la guerre dans une atmosphère étrange, passant l'essentiel de son temps dans des trains, parcourant le pays en long et en large avec ses parents pour aller se produire en concert, ou chanter pour les troupes britanniques.
Promue mascotte par la Royal Air Force et par les troupes américaines stationnées en Grande-Bretagne, Petula Clark est désormais une vedette à part entière, et tient même plusieurs rôles au cinéma. La fin de la guerre et l'arrivée de la puberté ne font pas baisser l'activité de la jeune fille qui, toujours cornaquée par son père. Peu satisfait des contrats proposés à sa fille par les maisons de disques, Lesley Clark s'associe au producteur Alan A. Freeman pour fonder un label, Polygon Records, qui aura pour tâche principale d'accompagner la chanteuse vers la gloire.
Formée par Freeman, Petula Clark négocie superbement le virage de l'âge adulte, et s'affirme, grâce à une voix puissante et mélodieuse, comme l'un des principaux espoirs de la chanson britannique des années 1950. La chanteuse trouve cependant pesante la tutelle de son père : c'est par sa carrière française qu'elle va trouver un échappatoire.
En 1958, Petula Clark donne un concert pour un soir à l'Olympia, à Paris. Ne parlant pas un mot de français et quelque peu intimidée de se confronter à un public qui ne la connaît pas, elle est finalement rassurée par l'accueil très chaleureux que lui réserve le public parisien. Mais son passage à Paris lui permet surtout de faire, le lendemain du concert, la connaissance de Claude Wolff, responsable français de Vogue Records, qui devient son imprésario pour la France et, surtout, son compagnon, puis son époux.
C'est d'abord par amour, et ensuite pour développer sa carrière loin des contraintes familiales que Petula Clark s'installe en France. Ne maîtrisant guère la langue de Molière, elle chante tout d'abord ses textes français phonétiquement ; le public ne lui en tient pas rigueur, d'autant qu'elle fait vite des progrès significatifs. Jouant intelligemment de son image d'expatriée, qu'elle chante de façon douce-amère ( « Je chante doucement » ) ou humoristique ( « Que fais-tu là Petula ? » ), Petula Clark devient, au tournant des années 1960, l'une des vedettes préférées des français, sans pour autant oublier le public anglais, qui réserve des triomphes à des chansons comme « Sailor » - numéro un au hit-parade britannique - ou « My Friend the Sea » . L'ex-enfant star devient également une vedette dans d'autres pays, comme l'Allemagne ou l'Italie.
En 1963, cependant, les ventes de disques de Petula Clark marquent un peu le pas, la chanteuse ne trouvant pas de nouveau titre qui la passionne vraiment. Le compositeur Tony Hatch, collaborateur d'Alan Freeman, lui propose alors, un peu au hasard, le morceau qui deviendra « Downtown » . Ecrite en quatrième vitesse et enregistrée en quatre langues (anglais, français, allemand, italien), la chanson est indubitablement de qualité, mais ni Hatch ni Petula Clark ne se doutent du triomphe qu'elle va remporter. « Downtown » sort à la fin 1964, et remporte un immense succès, non seulement en Europe, mais aussi aux Etats-Unis, où Warner en a acheté les droits. Outre-atlantique, la chanson est n°1 au hit-parade, se vend à trois millions d'exemplaires et remporte le Grammy Award de la meilleure chanson, catégorie « rock'n'roll ».
Tony Hatch, entré au firmament de la chanson en même temps que Petula Clark, devient l'auteur-compositeur attitré de cette dernière. Désormais vedette aux Etats-Unis, Petula Clark s'y produit régulièrement, apparaissant à la télévision américaine et brûlant les planches de nombreux clubs, dans la grande tradition des divas du music-hall. En 1968, elle fait date dans l'histoire de la télévision américaine : lors de l'enregistrement de la chanson « On the Path of Glory » , qu'elle interprète en duo avec Harry Belafonte, Petula Clark touche le bras de son partenaire, sans penser à mal. Le sponsor de l'émission craignant que le public ne prenne mal ce contact entre un homme noir et une femme blanche, Petula et Claude Wolff doivent lutter pour que la séquence soit diffusée telle quelle, et ont finalement gain de cause, transgressant un tabou majeur.
Bien qu'ayant toujours son époux pour manager, Petula Clark prend désormais quelques distances avec sa carrière française ; elle n'oublie pas pour autant l'Hexagone où elle revient se produire assez régulièrement, que ce soit pour des concerts ou des émissions de télévision (un Top à Petula Clark , produit par Maritie et Gilbert Carpentier, en 1972).
Mais la carrière de Petula Clark est désormais avant tout anglo-saxonne : reprenant à l'occasion sur les planches son métier de comédienne, la belle anglaise est devenue l'un des monstres sacrés de la scène. Grande habituée des reprises, elle s'approprie des textes des Beatles, mais aussi de Jacques Brel, ou de Serge Gainsbourg, qui dira pour sa part que Petula Clark était l'une de ses meilleures interprètes.
En 1993, elle tient l'un des rôles principaux de la comédie musicale Blood Brothers , donnée à Broadway. En 1998, elle est anoblie par la Reine Elizabeth II. Dans les années 1990-2000, on la voit réaliser de nombreuses tournées en Grande-Bretagne et en Australie. Toujours suivie par un fan-club international, active sur toutes les scènes du monde, Petula Clark a largement dépassé son répertoire parfois un peu vieillot des années 1960 pour devenir une grande « lady » de la chanson. À tel point qu'elle effectue son retour discographique l'année de ses quatre-vingts ans avec l'album Petula, paru en 2012. Quatre ans plus tard sort un nouvel album de chansons originales intitulé On Now On.