Родился в крестьянской семье в Сибири. В 1923 году вступил в комсомол. Служил на Балтийском флоте шифровальщиком. С 1933 года — сотрудник ОГПУ, работал в иностранном отделе. Во время Второй мировой войны работал в советском посольстве в Стокгольме. В 1951 был отправлен в Австралию, секретарь советского посольства в Канберре.
В 1954 вошёл в контакт с австралийскими спецслужбами (ASIO) и попросил политического убежища в Австралии. Сначала Петров бежал без своей жены Евдокии, но когда её увозили в СССР в сопровождении сотрудников КГБ, её сняли с самолёта в Дарвине по распоряжению премьер-министра Австралии Роберта Мензиса, и она решила присоединиться к мужу. С собой Петров захватил ряд документов, касающихся советской разведывательной деятельности в Австралии, которые рассматривались парламентской комиссией, но не были рассекречены австралийцами.