Брат писателя Валентина Катаева. Отец кинооператора Петра Катаева и композитора Ильи Катаева. Жена — Валентина Леонтьевна Грюнзайд, из обрусевших немцев.
Евгений Петрович Петров (настоящая фамилия Катаев) родился в Одессе в семье учителя истории.
В Одессе Катаевы жили на Канатной улице.
В 1920 году окончил 5-ю одесскую классическую гимназию. Во время учёбы его одноклассником был Александр Козачинский, написавший впоследствии приключенческую повесть «Зелёный фургон», прототипом главного героя которой — Володи Патрикеева — стал Евгений Петров.
Работал корреспондентом Украинского телеграфного агентства.
В течение трёх лет служил инспектором одесского уголовного розыска (в автобиографии Ильфа и Петрова (1929 год) об этом периоде жизни сказано: «Первым его литературным произведением был протокол осмотра трупа неизвестного мужчины»).
В 1922 году во время погони с перестрелкой лично задержал своего друга Александра Козачинского, возглавлявшего банду налётчиков. Впоследствии добился пересмотра его уголовного дела и замены А. Козачинскому высшей меры социальной защиты — расстрела — на заключение в лагере.
В 1923 году Петров приехал в Москву, где стал сотрудником журнала «Красный перец».
В 1926 году пришёл работать в газету «Гудок», куда устроил в качестве журналиста, освобождённого к тому времени по амнистии, А. Козачинского.
Значительное влияние на Евгения Петрова оказал его брат Валентин Катаев. Жена Валентина Катаева вспоминала:
В 1927 году совместной работой над романом «Двенадцать стульев» началось творческое содружество Евгения Петрова и Ильи Ильфа (который также работал в газете «Гудок»).
Впоследствии в соавторстве с Ильёй Ильфом были написаны:
В 1932—1937 годах Ильф и Петров писали фельетоны для газеты «Правда».
В 1935—1936 годы они совершили путешествие по США, результатом которого явилась книга «Одноэтажная Америка» (1937). Книги Ильфа и Петрова неоднократно инсценировались и экранизировались.
Творческое сотрудничество писателей прервала смерть Ильфа в Москве 13 апреля 1937 года.
В 1938 году уговорил своего друга А. Козачинского написать повесть «Зелёный фургон».
В 1939 году вступил в ВКП(б).
Петров прилагал много усилий для публикации записных книжек Ильфа, задумал большое произведение «Мой друг Ильф». В 1939—1942 годы Петров работал над романом «Путешествие в страну коммунизма», в котором описывал СССР в 1963 году (отрывки опубликованы посмертно в 1965 году).
Во время Великой Отечественной войны Петров стал фронтовым корреспондентом. Погиб 2 июля 1942 года — самолёт, на котором он возвращался в Москву из Севастополя, был сбит немецким истребителем над территорией Ростовской области, у села Маньково. На месте падения самолета установлен памятник.