Родился в семье священника. Детство прошло в Одессе. В 1913 р. окончил Холмскую мужскую гимназию, а в 1918 — историко-филологический факультет Киевского университета. Получил серебряную медаль за свою дипломную работу «Н. М. Языков, поэт пушкинской плеяды. Жизнь и творчество». Позднее работал в Этнографической комиссии Украинской Академии наук. В 1920-тые гг. Петров принадлежал к кружку неоклассиков. Опубликовал ряд литературных произведений под псевдонимом В. Домонтович. В 1930 г. получил степень доктора за исследование «Пантелеймон Кулиш в пятидесятые годы. Жизнь. Идеология. Творчество». Последняя должность перед войной — директор Института этнографических исследований.
В 1941 г. оказался (как позднее выяснилось, не случайно) в оккупированном гитлеровцами Харькове. Там он стал одним из основателей «Художественного украинского движения». В 1942—1943 выпускал журнал литературный журнал «Український засів» («Украинский посев»), век которого оказался весьма недолгим — вскоре журнал был переведен из прифронтового Харькова в Кировоград, где и закончил свое существование в 1943 году. В. Петров-Домонтович, однако, успел опубликовать в «Украинском посеве» свой роман «Без почвы»; позднее, уже в эмиграции, вышел его роман «Доктор Серафикус».
С 1942 г. побывал во многих городах Украины — Севастополе, Киеве, Кременчуге и др. В Киеве сотрудничал с Олегом Ольжичем, который высоко ценил литературный и научный талант Петрова, который был знаком ещё с его отцом А. Олесем. В 1943 г. возглавлял кафедру этнографии Украинского научного института во Львове, в 1944—1945 гг. был сотрудником Украинского научного института в Берлине. Улас Самчук писал, что Петров в Берлине ходил в мундире немецкого офицера. Позднее выяснилось, что он с 1930-х гг. был связан с НКВД и выполнял во вражеском тылу разведывательное задание, за что в 1965 году Петров был награжден орденом Отечественной войны I степени.
После войны до 1949 г. проживал в Мюнхене, где редактировал ежемесячный журнал литературы, искусства и критики «Арка», в 1947—1949 гг. в должности профессора преподавал этнографию на философском факультете Украинского свободного университета в Мюнхене, читал в Богословской академии патрологию (не имея теологического образования).
Одновременно Виктор Петров публиковал свои философские произведения под псевдонимом «Виктор Бэр». Этот псевдоним был выбран не случайно: он расшифровывается как биологический эквивалент рентгена.
18 апреля 1949 г. Петров исчез из Мюнхена. В его похищении обвиняли бандеровцев и советские органы госбезопасности, однако вскоре выяснилось, что в СССР его имя не исчезло из библиотек, как это обычно бывало с невозвращенцами — более того, на него ссылался известный советский археолог А. Л. Монгайт. Через некоторое время обнаружился и сам Петров. До того, как этот факт стал известен эмигрантской общественности, в защиту Петрова от обвинений в сотрудничестве с советской разведкой выступили многие видные деятели эмиграции. Они указывали на большие заслуги Петрова перед антисоветским движением — в частности, на то, что Петров опубликовал в эмигрантской печати весьма подробные сведения о большевистских репрессиях против украинских деятелей культуры.
В Москве Петров работал в Институте археологии, а с 1956 г. — в Киеве в Институте археологии. Потеряв документы во время войны, Петров был вынужден заново защитить диссертацию в 1966 г.
В 1957 г., когда закончилась его «проверка», женился на Софии Фёдоровне Зеровой, вдове украинского поэта и литературоведа Николая Зерова, расстрелянного в 1937 г., с которой был знаком ещё с 1920 г.
Умер в 1969 г. за письменным столом. Похоронен в Киеве. В 1988—1989 гг. в Нью-Йорке издано трёхтомное собрание сочинений В. Петрова-Домонтовича.
С 2000-х гг. роман Петрова «Доктор Серафикус» включён в школьную программу 11 класса по курсу украинской литературы.