Пётр Михайлович Петров родился в городе Петрозаводске в семье рабочего. Русский. Член КПСС с 1932 года. Окончил 7 классов и школу ФЗУ, работал в депо железнодорожной станции Петрозаводск.
В Советской Армии с 1929 года. В 1931 году окончил Ленинградскую военно-техническую школу ВВС, в 1936 году — Борисоглебскую военно-авиационную школу.
Участник советско-финской войны 1939—1940 годов. Командир эскадрильи 68-го истребительного авиационного полка (13-я армия Северо-Западный фронт) капитан Петров, выполняя боевое задание, 17 февраля 1940 года совершил посадку на замёрзшее озеро Муола-Ярви и под огнём врага на своём истребителе вывез лётчика с подбитого самолёта.
Звание Героя Советского Союза присвоено 7 апреля 1940 года.
На фронтах Великой Отечественной войны с июня 1941 года. Командир отдельного истребительного авиационного полка майор Петров погиб при выполнении боевого задания 23 ноября 1941 года под Курском.
Похоронен в селе Уразово Валуйского района Белгородской области.
Память Петра Петрова увековечена в Петрозаводске. В городе имеется улица Петрова, установлено три мемориальные доски в память о герое (на улице Петрова, на территории железнодорожного депо и в галерее героев), посажено именное дерево на аллее Героев.