Petropavlovka rajoon (vene keeles Петропавловский район) on 2. järgu haldusüksus (munitsipaalrajoon) Venemaal Voroneži oblasti kaguosas. Rajooni keskus on Petropavlovka küla.

Rajoon piirneb põhjas Kalatši rajooniga, kagus Rostovi oblastiga, edelas Bogutšari rajooniga ja loodes Verhni Mamoni rajooniga.

Rajooni pindala on 1680 km². Elanike arv oli 2012. aastal 19 420, 2009. aastal 21 381 ja 2002. aastal 23 414.

Petropavlovka rajoonis on 28 asulat, mis kuuluvad üheteistkümne külaasunduse koosseisu.

Rajooni tähtsamad jõed on Don, Tolutšejevka ja Kriuša.