Основан в 1879 году на месте бывшей армейской стоянки на Осударевой дороге. С 1 января 1882 г. стал центром Петровско-Ямской волости.
После открытия Беломоро-Балтийского канала уровень воды в реке Выг поднялся на 6 метров, и армейская стоянка Петровский Ям ушла под воду. Рядом на берегу был образован одноимённый посёлок сплавщиков леса Белбалтлага.
Во время Советско-финской войны (1941—1944) в посёлке размещался военно-полевой госпиталь № 2212, который был сожжён группой финских диверсантов. Потери советской стороны составили 85 человек, из которых почти две трети составляли некомбатанты (медперсонал и раненые) и гражданское население посёлка. В то же время, уничтожение базы в Петровском Яме считается одной из успешных операций финской военной дальней разведки[фин.], а командир финского диверсионного отряда Илмари Хонканен не был привлечен к ответственности за убийство раненых и медперсонала, остался жить и работать в Финляндии.
В послевоенные годы посёлок был заброшен как «неперспективный». По состоянию на 2013 год, Петровский Ям — это заброшенная деревня с разрушенными постройками и сваями причала. На месте советского госпиталя российскими общественными активистами установлены памятные знаки погибшим от рук финских диверсантов, кроме того установлен деревянный крест в память о финских солдатах-диверсантах, погибших 12 февраля 1942 года.
В 1702 году в этом месте была проложена Осударева дорога. Во время Великой Северной войны 22—23 августа 1702 года русские войска, предположительно, в составе пяти батальонов Преображенского и Семёновского полков организовали переправу через реку Выг, а затем остановились на ночлег на правом берегу реки.
По сохранившимся преданиям, в Петровском Яме для государя, генералитета и бояр ставили «зимушки»[сн 1], а гвардейцы и работный люд размещались на «лавасах»[сн 2].