Petrolacosaurus oli pieni, noin 40 senttimetriä pitkä eläin ja tähän mennessä varhaisin tunnettu diapsidi. Se eli myöhäisellä hiilikaudella (Pennsylvanian-ikä) ja tunnetaan fossiileista, jotka löydettiin Kansasista. Näiden kerrostumien ikä on noin 302 miljoonaa vuotta.

Petrolacosaurus oli sirorakenteinen maaeläin: sillä oli hivenen litistetty pää, pitkähkö häntä ja suhteellisen ohuet raajat, jotka viittaavat ketterään liikkumiseen maan pinnalla. Kallo oli tyypillinen diapsideille eli kummallakin puolella leukaa oli kaksi aukkoa, jotka mahdollistivat lihasten kiinnittymisen ja kevyemmän kallon rakenteen.

Ruokavalio oli todennäköisesti pienistä hyönteisistä koostuva. Lisäksi Petrolacosauruksella oli tunnusomaiset, koiraanmuotoiset, toissijaisen kokoiset hampaat, joita tavataan pääasiassa therapsideilla ja myöhemmin nisäkkäillä. Nämä hampaat viittaavat siihen, että eläin saattoi napata ja purra pieniä saaliita, vaikka hampaat eivät olleet yhtä erikoistuneet kuin myöhemmillä petoeläimillä.

Paleoekologisesti hiilikauden Kansas oli trooppista tai subtrooppista aluetta, jossa esiintyi metsiä, jokia ja kosteikkoja. Tällaisessa ympäristössä pienet, maanpäällä liikkuvat diapsidit kuten Petrolacosaurus hyötyivät runsaasta hyönteisravinnosta ja suojapaikoista kasvillisuuden joukossa.

On tärkeää huomata, että Petrolacosaurus oli liian erikoistunut ollakseen kaikkien nykyisten muotojen suora esi-isä. Se edusti jo selkeästi diapsidista haaraa: diapsideilla on kaksi kallon aukkoa kummallakin puolella, kun taas synapsideilla on vain yksi aukko. Synapsidit, jotka johtavat lopulta nisäkkäisiin, erosivat omaksi linjakseen amniotien evolutionaarisessa puussa ennen diapsideja.

Tämän vuoksi esimerkiksi populaaritulkinnat, jotka esittävät Petrolacosauruksen sekä matelijoiden että nisäkkäiden yhteisenä esi-isänä, ovat virheellisiä. BBC Television Walking with Dinosaurs -ohjelmassa tehtiin aikanaan tällainen virhe; paleontologinen tieto kertoo kuitenkin selkeästi, että synapsidit eroavat diapsideista aikaisemmin.

Petrolacosauruksen fossiilit ovat tärkeitä, koska ne antavat suoran todisteen diapsidien varhaisesta olemassaolosta ja auttavat ajoittamaan amniottien suuren haarautumisen. Ne osoittavat, että diapsidien perusominaisuudet olivat jo kehittyneet hiilikaudella, mikä tarjoaa näkymän varhaisten matelijoiden ja muiden amniottien monimuotoistumiseen.

Vaikka monet yksityiskohdat elämänavoista, lisääntymisestä (todennäköisesti munivia, kuten muut varhaiset amniotit) ja käyttäytymisestä perustuvat pääosin vertailuihin muiden fossiilien ja nykyisten eläinten kanssa, Petrolacosaurus pysyy tärkeänä lajina amniottien evoluution ymmärtämisessä ja esimerkkinä diapsidin varsinaisista, varhaisista piirteistä.