Anders als die meisten seiner Branchenkollegen startet der in Wyborg unweit der finnischen Grenze geborene Russe seine Karriere nicht im Kartsport, sondern erst im Alter von 17 Jahren im nationalen Lada Cup, einem Markenpokal, der mit rennmäßig getunten Tourenwagen dieses einheimischen Fabrikats ausgetragen wird. Bereits im zweiten Jahr seines Engagements erringt Petrow den Meistertitel.
2002 wechselt er in die Formula Russia und schließt seine Premiere im Formelfahrzeug auf Platz 10 des Gesamtklassements ab. Den Sprung in die kompetitiven westeuropäischen Nachwuchsformeln wagt der Russe 2003. Er nimmt an der italienischen Formel Renault sowie am Formel Renault 2.0 Eurocup teil. Trotz durchschnittlicher Resultate behält Petrow auch in der Saison 2004 seinen Platz in beiden Serien und erkämpft sich sogar einige Starts in der Euro Formel 3000.
Mit den gewonnenen Erfahrungen kehrt er 2005 in seine Heimat zurück und kann sowohl die russische Formel 1600 wie die Lada-Revolution-Serie, eine Markenformel, die mit serienbasierten offenen Rennsportwagen ausgetragen wird, für sich entscheiden. Im Jahr darauf beginnen sich Petrows vielfältige Anstrengungen im Motorsport auch auf internationaler Ebene auszuzahlen. Er engagiert sich in der Euroseries 3000, erzielt dort mehrere Siege und am Ende Platz drei in der Fahrerwertung.
Nach einigen Gastspielen in der GP2-Serie zum Saisonende, bestreitet der Russe 2007 seine erste komplette Saison in dieser Formel-1-Zubringerkategorie. Trotz eines Sieges beim Lauf in Valencia muss er sich im Gesamtklassement vorerst mit Position 13 begnügen. Im selben Jahr gibt er in einem Courage LC75 der LMP2-Kategorie seinen Einstand beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans.
2008 konzentriert sich Petrow voll auf die asiatische und europäische GP2-Serie. Bei der im Winter ausgetragenen asiatischen Ausgabe gelingt ihm ein Laufsieg und in der Endabrechnung ein dritter Platz. Die reguläre, fast ausschließlich in Europa veranstaltete GP2-Serie schließt er auf Rang sieben ab. Auch in der Folgesaison beteiligt sich der Russe an der GP2-Serie. Den asiatischen Zyklus beendet er auf Position fünf, muss sich in der Gesamtwertung der direkt darauffolgenden europäischen Rennen jedoch nur Nico Hülkenberg geschlagen geben. Die Vizemeisterschaft ist bis dahin sein größter Karriereerfolg.
Mit Unterstützung von höchster staatlicher Stelle gelingt es dem Russen, für die Saison 2010 einen Stammplatz im Renault Formel-1-Team zu bekommen. Dort zeigt er beachtliche Leistungen, kann sich bei fünf Grand-Prix-Rennen unter den ersten Zehn platzieren und in seinem Premierenjahr insgesamt 27 WM-Punkte sammeln. 2011 agiert das Team unter dem Namen Lotus Renault GP, und Petrow schafft gleich beim Auftaktrennen in Australien mit Rang drei seinen ersten Podestplatz in der Formel 1. Im weiteren Saisonverlauf etabliert er sich mit durchweg soliden Resultaten im Mittelfeld der Königsklasse. Am Ende belegt er mit 37 Punkten Rang 10 der Fahrerwertung.
Trotz der überzeugenden Auftritte wird Petrow Ende 2011 aus seinem laufenden Vertrag entlassen. Er schließt sich in der Folge dem unterfinanzierten Caterham Team an und findet sich fortan im Hinterfeld der Formel 1 wieder. Mit 0 WM-Punkten verabschiedet sich der Russe zum Saisonende aus der Grand-Prix-Szene und legt enttäuscht eine Schaffenspause ein.
2014 scheint die Karrierekurve des Russen wieder nach oben zu zeigen. Er erhält bei Mücke Motorsport ein Cockpit für die Deutsche Tourenwagen-Masters und steuert ein aktuelles AMG-Mercedes C-Coupé DTM. Petrow tut sich jedoch während der ganzen Saison sehr schwer mit dem ungewohnten Rennsport-Tourenwagen. Seine Ergebnisbilanz fällt ernüchternd aus: Er bleibt als einziger Pilot im Starterfeld punktelos und muss zum Jahresende seinen Platz räumen.
Nach dieser erneut frustrierenden Erfahrung verabschiedet sich der Russe von der großen Bühne und nimmt nur noch vereinzelt an Rennen teil, 2016 etwa mit einem rein russischen LMP2-Team am 24-Stunden-Rennen von Le Mans.