Petrovot hazájában – szülővárosa után – csak Viborgi Rakétának becézik, hosszú versenymúlt áll mögötte, a formaautózásban azonban az F1 előtt kevés tapasztalatot szerzett. Ralis és jégralis futamokkal alapozta meg karrierjét az orosz, első nagy sikerét a 2002-es Lada-kupa összetett első helyével aratta.
Rövid Forma Renault-s kitérő után visszatért hazájába, az európai utánpótlásszériákban nem tudott megragadni, egészen 2006-ig, amikor lehetőséget kapott a GP2-ben. Volt néhány figyelemre méltó sikere, de az áttörés sehogy sem jött össze, pedig tavaly már második helyen zárta a sorozatot. Végül a körülmények szerencsés összejátszásának köszönhetőn a privát befektető kezébe került Renault felfigyelt rá és 15 millió eurós „zsebpénzére”. Petrov a Forma-1 történetének első orosz pilótája.
2010-ben nem villogott, többször törte össze az autót, mint ahányszor célba ért vele, az utolsó versenyekre azonban feljavult. A szezonzárón nagy szerepe volt abban, hogy Fernando Alonso elveszítette a világbajnoki címet, az orosz megelőzhetetlennek bizonyult a spanyol számára. Ez biztosan szerepet játszott abban, hogy végül szerződést hosszabbítottak Petrovval.
A 2011-es idény elején Petrov összehozta első dobogóját, de a fejleszthetetlen Renault-val szépen lassan beleszürkült a mezőnybe. Érvényes szerződése ellenére mennie kellett, úgy tűnt, nem is lesz számára F1-es visszaút. Az utolsó pillanatban azonban mellé állt a szerencse, a Caterham igazolta le, ahol a veterán Jarno Trulli autóját foglalja el.
