PETRONAS merupakan salah satu penaja utama pasukan BMW Sauber Formula Satu bersama Intel, dan ia membekalkan pelincir dan bahan api kepada pasukan. Ia juga dimiliki 40% daripada Sauber Petronas Engineering, syarikat yang membina casis enjin Ferrari yang dahulunya digunakan oleh pasukan Sauber yang direka, sehingga yang dibeli oleh syarikat permotoran Jerman BMW. PETRONAS juga ialah penaja utama Grand Prix Malaysia, dan penaja bersama Grand Prix China. PETRONAS merupakan rakan premium eksklusif Sauber Petronas (1995-2005) dan BMW Sauber F1 Team (2006-2009). BMW telah memperoleh kepentingan mengawal bekas Sauber Petronas Engineering, tetapi meninggalkan sukan itu selepas musim 2009. Pada 21 Disember 2009, PETRONAS telah disahkan sebagai bergerak dari BMW Sauber kepada pasukan Mercedes Grand Prix yang baru ditubuhkan.[40][41]

Dari segi penglibatan lanjutan Formula One, setiap tahun PETRONAS mengambil pasukan BMW Sauber ke pelbagai bahagian Malaysia untuk demo F1 supaya orang ramai yang tidak mampu untuk pergi ke trek itu sendiri mendapatkan pengalaman sedikit tawaran F1. Acara promosi yang lain itu diadakan dalam jangka masa sehingga perlumbaan dan pemandu memainkan peranan penting dalam hal ini sehinggakan Nick Heidfeld mengakui bahawa terdapat lebih ramai peminat BMW Sauber di Malaysia daripada di kebanyakan negara-negara lain. Sebagai sebahagian daripada program tanggungjawab sosial korporat, PETRONAS juga membawa kanak-kanak yang kurang bernasib baik untuk menonton perlumbaan.

PETRONAS juga menaja perlumbaan Cub Prix Malaysia. Ia juga menaja pelbagai pasukan dan acara sukan yang lain dan, kebanyakannya sukan bermotor. Sebahagian daripada penajaan ini termasuk PERT (Petronas EON Rally Team), pasukan Foggy Petronas Superbike yang kini tidak diadakan lagi (di mana PETRONAS Scuderia superbike mereka sendiri, FP1), dan juga Petronas Adventure Team, pasukan pengembaraan 4X4. Baru-baru ini Petronas juga merupakan penaja utama bagi PETRONAS TOYOTA TEAM TOM'S yang telah mengambil bahagian dalam siri Super GT, yang mereka memenangi gelaran pasukan pada 2008 dan kejuaraan pemandu pada tahun 2009. Siri ini juga berlumba di Malaysia setiap musim di Litar Antarabangsa Sepang di antara tahun 2005 dan 2013. PETRONAS telah menandatangani perjanjian penajaan selama tiga tahun dengan pasukan Fiat Yamaha MotoGP. Penjenamaan PETRONAS boleh dilihat memulakan perlumbaan Qatar pada 10 hingga 12 April 2009. PETRONAS juga menyediakan bahan api untuk pasukan American Le Mans Series Bobby Rahal milik BMW Rahal Letterman Lanigan Racing sebagai pembekal petrol 15% sejak 2009 hingga sekarang tetapi PETRONAS kekal sebagai pembekal kecil.

Sejak 2010, PETRONAS juga merupakan penaja utama pasukan Mercedes Grand Prix.