Родился в Гори Тифлисской губернии в грузиноязычной семье состоятельного подрядчика. С семи лет учился в армянской школе, а одиннадцати лет перешел в городское училище. В 1898 году был исключён за плохое поведение (вольнодумство в законе божьем), после чего уехал в Тифлис к тётке с целью готовиться на вольноопределяющегося. Вскоре по причине разорения отца и болезни матери возвращается в Гори, а после её смерти увозит сестёр в Тифлис.
С детства близкий знакомый, а затем соратник своего земляка Сталина. Под влиянием Сталина и Вардаянца знакомится с марксизмом. В 1901 году вступил в РСДРП, два года исполнял технические поручения и получил имя «Камо». В 1903 году вошёл в союзный кавказский комитет РСДРП. Организатор подпольных типографий, денежных «экспроприаций», доставки из-за границы пропагандистской литературы и оружия, в чём ему помогал Борис Стомоняков. Активно участвовал в отправке делегатов на II съезд РСДРП. В 1904 году примкнул к большевикам.
В ноябре 1903 года был арестован, но спустя 9 месяцев бежал из тюрьмы. В декабре 1905 года во время восстания в Тифлисе был ранен, избит и арестован. Просидев в тюрьме два с половиной месяца и поменявшись фамилией с неким грузином, сумел скрыться. Участвовал в организации побега 32 заключённых из Метехского замка. В 1906 году закупал оружие для партийных боевиков за границей, однако пароход с оружием из Болгарии затонул по пути. В 1907 году под именем князя Дадиани ездил в Финляндию, был у Ленина и вернулся с оружием и взрывчатыми веществами в Тифлис. Участвовал в нашумевшем в своё время ограблении филиала Государственного банка в Тифлисе (13 июня 1907 года), организованном Сталиным. В августе 1907 года уехал в Берлин.
Предложенная Камо программа чистки большевистской партии от действительных и потенциальных полицейских осведомителей была самой жестокой из всех аналогичных программ других экстремистских организаций. Суть предложения Камо состояла в идее переодеть в форму жандармерии нескольких боевиков и самого Камо и произвести ложные аресты ведущих большевистских активистов в России:
Придем к тебе, арестуем, пытать будем, на кол посадим. Начнёшь болтать: ясно будет, чего ты стоишь. Выловим так всех провокаторов, всех трусов.
Камо совершенно серьёзно относился к своей программе и отправился в Россию ради её приведения в жизнь.
Уехал через Батум за границу. Был в Париже у Ленина, который снабдил его деньгами. Из Парижа поехал в Константинополь, а оттуда в Болгарию. При попытке вернуться на Кавказ арестовывался турецкими властями, но сумел добиться освобождения, назвавшись турецким агентом. Вернувшись в Россию, предпринял в 1912 году попытку устроить экспроприацию денежной почты на Каджорском шоссе. Ограбление не удалось, Камо был ранен, арестован и опять помещён в Метехский замок. Приговорён к смертной казни по каждому из четырёх инкриминируемых дел. Прокурор суда Голицынский, симпатизировавший Камо, затянул посылку приговора на утверждение, дотянув до объявления амнистии по случаю трёхсотлетия дома Романовых. Приговор Камо был заменён двадцатилетней каторгой. С 1915 года отбывал заключение в Харьковской тюрьме.
Освободился из тюрьмы во время Февральской революции, уехал в Москву, затем в Петроград. Работал в Бакинском совете и ЧК, затем в Москве готовил группу для борьбы в тылу у Деникина.
Осенью 1919 года доставил в Баку по морю оружие и деньги для подпольной партийной организации и партизан Северного Кавказа. В январе 1920 года был арестован в Тбилиси меньшевистским правительством и выслан. В апреле 1920 года принимал активное участие в подготовке вооружённого восстания за власть Советов в Баку.
В мае 1920 года приехал в Москву, учился в Академии Генштаба. В 1921 году работал в системе Внешторга, в 1922 году — в Наркомфине Грузии.
Награждён орденом Красного Знамени Грузинской ССР.
По некоторым данным, кличка «Камо» была дана ему Сталиным, поскольку плохо говоривший по-русски Тер-Петросян произносил «кому» как «камо».
С 1959 по 1996 год имя Камо носил город в Армении (современный Гавар).
Секретарь Политбюро ВКП(б) в 1920-х годах Б. Г. Бажанов в своих воспоминаниях писал:
Лидеры в эмиграции (были) постоянно заняты поисками средств. … Анархисты и часть социалистов-революционеров нашли способ добывать нужные средства — просто путём вооружённых ограблений капиталистов и банков. Это на революционном деловом жаргоне называется «экс-ами» (экспроприациями). Но братские социал-демократические партии, давно играющие в респектабельность и принимающие часто участие в правительствах, решительно отвергают эту практику. Отвергают её и русские меньшевики. Нехотя делает декларации в этом смысле и Ленин. Но Сталин быстро соображает, что Ленин только вид делает, а будет рад всяким деньгам, даже идущим от бандитского налёта. Сталин принимает деятельное участие в том, чтобы соблазнить некоторых кавказских бандитов и перевести их в большевистскую веру. Наилучшим завоеванием в этой области является Камо Петросян, головорез и бандит отчаянной храбрости. Несколько вооружённых ограблений, сделанных бандой Петросяна, приятно наполняют ленинскую кассу (есть трудности только в размене денег). Натурально Ленин принимает эти деньги с удовольствием. Организует эти ограбления петросяновской банды товарищ Сталин. Сам он в них из осторожности не участвует.