Petrow startete seine Rennfahrerkarriere 2001 im russischen Lada-Cup, den er im darauffolgenden Jahr gewinnen konnte. Im gleichen Jahr fuhr er außerdem jeweils ein Rennen im russischen VW-Polo-Cup und der Formel RUS. 2003 trat er sowohl in der Formel Renault 2000 Masters als auch der italienischen Formel Renault an. Er bestritt außerdem einzelne Rennen in der britischen Formel Renault und der Euro-3000-Serie. Bei der britischen Formel-Renault-Winterserie wurde er Vierter. 2004 war er erneut in der italienischen Formel Renault und dem Formel Renault Eurocup am Start. Im folgenden Jahr fuhr Petrow wieder in Russland und konnte dort sowohl die russische Formel 1600 als auch die Lada-Revolution-Serie gewinnen.
Petrow bei einem Rennen der GP2-Serie in Istanbul
2006 wechselte er in die höheren Automobilsportklassen. Petrow fuhr die gesamte Saison der Euro-3000-Serie. Mit dem Auto des Teams Euronova gewann er vier Rennen und wurde mit 72 Punkten Dritter der Fahrerwertung. Ab Ende Juli 2006 fuhr er außerdem für das Team David Price Racing in der GP2-Serie, konnte dort aber keine Punkte erzielen. 2007 wechselte er in der GP2-Serie zum Team Campos. Hier konnte er im vorletzten Rennen in Valencia seinen ersten Sieg feiern. Insgesamt reichte es für den 13. Platz der Fahrerwertung. 2007 fuhr Petrow außerdem einzelne Rennen in der Le-Mans-Serie und der Internationalen Formel Master.
In der GP2-Serie-Saison 2008 startete er erneut für Campos Grand Prix. In der bereits abgeschlossenen GP2-Asia-Serie dieser Formel konnte er einen Sieg beim Rennen in Malaysia verbuchen und erzielte den dritten Rang in der Fahrerwertung.
Zum Saisonanfang der regulären GP2-Serie hatte er seinen Teamkollegen Ben Hanley im Griff. Zum vierten Rennwochenende wurde Hanley durch Lucas di Grassi ersetzt. Di Grassi zeigte schnell gute Leistungen und war meistens schneller als Petrow. Das erste Rennen auf dem neuen Valencia Street Circuit konnte Petrow für sich entscheiden. Er erbte den Sieg von Giorgio Pantano, der in Führung liegend in der letzten Runde auf Grund von Treibstoffmangel ausfiel. Es war sein zweiter Sieg in der GP2. Beide Siege holte er in Valencia, allerdings auf unterschiedlichen Rennstrecken. Petrow stand drei Mal auf dem Podium. In der Gesamtwertung erreichte Petrow mit 39 Punkten den siebten Platz.
In der GP2-Asia-Serie-Saison 2008/2009 ging Petrow erneut für Campos Grand Prix an den Start. Nachdem der Anfang der Saison nicht so gut verlief, drehte sich das Blatt am Rennwochenende in Losail: Nach einem dritten Platz im Hauptrennen wurde Petrow im Sprintrennen Zweiter. Da sein Teamkollege Sergio Pérez das Rennen gewann, erzielte Campos Grand Prix einen Doppelsieg. Am darauf folgenden Rennwochenende in Sepang gewann Petrow das Sprintrennen. In der Gesamtwertung belegte Petrow am Saisonende den fünften Platz.
2009 bestritt Petrow seine vierte Saison in der GP2-Serie und startete für Barwa Addax, dem Nachfolgeteam von Campos Grand Prix. Zu Beginn der Saison wurde Petrow von seinem Teamkollegen Romain Grosjean in den Schatten gestellt, übernahm aber nach einem Sieg in Istanbul zwischenzeitlich die Führung der Meisterschaft vor Grosjean. Nachdem Grosjean das Team in Richtung Formel 1 verlassen hatte, wurde der Russe zur neuen Nummer eins im Team. Petrow, der seinen neuen Teamkollegen Davide Valsecchi klar im Griff hatte und der einen weiteren Sieg in Valencia feierte, behielt zwar die Chance auf den Titelgewinn, musste sich aber ein Rennwochenende vor Schluss Nico Hülkenberg geschlagen geben und sicherte sich am letzten Rennwochenende den Vizemeistertitel.
2010 wird er als Teamkollege von Robert Kubica beim Renault-Team sein Debüt in der Formel 1 geben. Damit ist Petrow der erste russische Fahrer der Formel-1-Geschichte. (Quelle: Wikipedia)