Выступал за юниорскую и молодёжную сборные России на чемпионатах мира. Лучшим для него стал молодёжный чемпионат мира 2010 года, где он был лидером команды по очкам, став в итоге 8-м бомбардиром турнира и был назначен капитаном к концу чемпионата.
В 2008 году на драфте НХЛ выбран в 3 раунде под общим 73-м номером клубом «Нью-Йорк Айлендерс», к которому мог присоединиться сезоне 2010/11, однако «Ак Барс» оставил Петрова в команде в соответствии с условиями его контракта.
В 2011 году вернулся в «Ак Барс»[2]. Петров успешно играл за свой клуб в сезоне 2012/13, свидетельством чему стало его попадание в состав сборной на чемпионат мира и интерес «Айлендерс» в вызове игрока в команду[3].
В НХЛ Петров так и не провёл не одного матча. Сыграв за фарм-клуб «Островитян» «Бриджпорт Саунд Тайгерс» 13 матчей и набрав в них 5 (1+4) очков при показателе полезности +1, вернулся в «Ак Барс» и был обменян в ЦСКА на Станислава Галимова[4][5].
В составе московских армейцев провел три сезона, дважды став финалистом Кубка Гагарина в сезоне 2015/16 и 2017/18. В финале кубка Гагарина 2017/18 против казанского «Ак Барс» сумел отметиться двумя заброшенными шайбами в третьем матче финальной серии, чем заслужил лестные оценки со стороны главного тренера казанцев Зинэтулы Билялетдинова.
Перед началом сезона 2018/19 был обменян в омский «Авангард». По итогам регулярного сезона забросил 8 шайб и отдал 15 голевых передач.