Mit der sowjetischen Mannschaft nahm Petrosjan an den Schacholympiaden 1958, 1960, 1962, 1964, 1966, 1968, 1970, 1972, 1974 und 1978 teil. 1978 musste sich die sowjetische Mannschaft mit dem zweiten Platz begnügen, bei den übrigen Teilnahmen gewann Petrosjan mit der sowjetischen Mannschaft. Er erreichte außerdem 1958 und 1960 jeweils am zweiten Reservebrett, 1962 am zweiten Brett, 1966 und 1968 jeweils am ersten Brett und 1974 am vierten Brett das beste Einzelergebnis. Die Mannschaftseuropameisterschaft gewann er bei allen acht Teilnahmen 1957, 1961, 1965, 1970, 1973, 1977, 1980 und 1983, außerdem erreichte er 1957 am sechsten, 1961 am vierten, 1965 am ersten und 1973 am zweiten Brett das beste Einzelergebnis. 1970 wurde er für den Wettkampf UdSSR gegen den Rest der Welt an das zweite Brett der sowjetischen Mannschaft nominiert, er unterlag Bobby Fischer mit 1:3.