Родился 14 (26 октября) 1886 года в Костроме в семье рабочего лесопильного завода. В 1899 году поступил в Костромское химико-техническое училище, (ныне Костромской энергетический техникум) в подготовительный класс.
Практическая деятельность относится к 1904 году, когда он получил диплом и поступил работать на мыловаренный завод А. И. Жукова в Санкт-Петербурге. Трудовую жизнь на комбинате начал в центральной химической лаборатории. Уже с первых месяцев проявились те качества Петрова, которые в дальнейшем позволили ему стать всемирно известным изобретателем. На складах предприятия скопилось большое количество мыла, которое не привлекало внимания покупателей. Под руководством Петрова мыло было переварено. В него добавили яркий краситель, который не размешивали. В результате кусок мыла стал выглядеть пёстрым прямоугольником. Под названием «мраморное» мыло попало в магазины и моментально разошлось.
В 1908 годы он переехал в подмосковное село Кусково и поступил работать на нефтеперерабатывающий завод. Здесь за пять лет Петров сделал ряд изобретений, из которых наиболее ценным явилась разработка методов получения и применения нефтяных сульфокислот, известных в мировой технике под названием «Контакт Петрова» — самое дешёвое средство для расщепления жиров в мыловарении и лучшее средство при белении и крашении суровых тканей, заменяющее мыло. Работая с отходами нефтяного производства, Григорий Семёнович обратил внимание, что при взбалтывании растворы нефтяных сульфокислот пенятся подобно мылу. Он установил их высокие моющие свойства, способность умягчать жесткую воду и усиливать действие мыл. На этих исследованиях основан патент Г. С. Петрова на приготовление препаратов для мытья.[1]
Открытие вдохновило 25-летнего техника и, продолжая работать над нефтяными дистиллятами, в 1911 году получил быстро твердеющую смолу, назвав её карболитом (название пошло от применяемой в производстве «карболки», как в просторечии именовали фенол). Так была получена первая русская пластмасса. Диэлектрические свойства, легкость и прочность, относительная дешевизна позволили карболиту быстро проникнуть в электротехнику. Ещё до Первой мировой войны в Орехово — Зуеве был создан завод «Карболит», который действует и поныне.
Благодаря работам Г. С. Петрова зарождается промышленность пластмасс сначала в России, а затем и в Америке, куда акционерное общество «Контакт» продало патенты Петрова, и в европейских странах.
В 1918 году его пригласили работать в Главхим ВСНХ и назначили председателем комиссии по производству сульфокислот и членом правления завода «Карболит». В условиях гражданской войны Г. С. Петров продолжал работать в центре лаборатории ВСНХ, а также в ФХИ имени Л. Я. Карпова. Здесь Петров заинтересовался проблемой окисления жидких углеводородов нефти с целью получения карбоновых и оксикарбоновых кислот.