Beskedet kommer efter att priserna på drivmedel fortsatt ticka uppåt.
José Mauro Coelho är den tredje att lämna vd-posten på Petrobras sedan februari förra året till följd av ett utdraget dödläge mellan företaget och regeringen gällande priset på bränsle.
En avdelningschef kommer tillfälligt att ta över verksamheten tills dess att den av regeringen utsedde efterträdaren Caio Paes de Andrade, i dag verksam på landets finansdepartement, tar över, skriver Petrobras i ett pressmeddelande.
Coelho tillsattes för en ettårsperiod i april efter att Bolsonaro sparkat hans företrädare Joaquim Silva, som i sin tur bara hann inneha vd-rollen i drygt ett år.
Presidenten sade då att bränslepriserna, som följer den internationella marknaden, var "ohållbara" och ett "brott" mot brasilianarna.
Bolsonaro, som ligger dåligt till i opinionsmätningarna inför presidentvalet i oktober, anses av stora delar av väljarkåren vara ansvarig för den tvåsiffriga inflation som drabbat landet i spåren av skenande bränslepriser både lokalt och globalt.
Fossila bränslepriser i Brasilien har stigit med 33 procent på ett år samtidigt som inflationen ligger på nära 11,7 procent, en bra bit över riksbankens mål på 3,5 procent.
Elbilar är ännu ovanliga i Brasilien. Så när Petrobras i förra veckan aviserade nya prishöjningar på drivmedel, ilsknade Bolsonaro till på nytt med anklagelser om att företaget riskerar att "sänka Brasilien ner i kaos".
Rättat: I en tidigare version av texten angavs fel tidsintervall för när Petrobras-cheferna efterträtt varandra.