Dopo aver svolto per diversi anni la propria attività di ricerca presso l'Università Cattolica di Milano, Antonio Petagine ha insegnato dal 2011 al 2013 Storia della Filosofia Medievale all'Università di Urbino ed è stato ricercatore a tempo determinato dal 2014 al 2016 presso l'Università di Friburgo in Svizzera. Presso la Pontificia Università della Santa Croce, è stato docente incaricato, dal 2016 al 2018, quindi professore straordinario di Storia della Filosofia Medievale (ora in aspettativa per altro incarico presso l'Università Roma Tre).

I suoi interessi di ricerca spaziano dall'ambito storico a quello sistematico, seguendo l'ideale di un loro reciproco arricchimento. Quelli storici si sono prevalentemente diretti verso la filosofia medievale dei secoli XIII e XIV, con particolare attenzione ad autori come Tommaso d'Aquino, Sigieri di Brabante e Giovanni Duns Scoto. Dal punto di vista sistematico, si occupa di temi al confine tra la metafisica, l'antropologia filosofica e l'etica: la natura dell'intelligenza e il suo rapporto con la corporeità, le nozioni di materia e soggetto, la costituzione dell'individuo, il rapporto tra felicità, beni umani e talenti personali.

Dal 2016 è segretario scientifico della collana Etica e Talenti presso l'editore Orthotes di Napoli.