Petrov spelade som centerforward och tillsammans med Boris Michajlov och Valerij Charlamov bildade han en av ishockeyhistoriens bästa kedjor. Petrov blev olympisk mästare med Sovjetunionens ishockeylandslag 1972 och 1976, samt världsmästare 1969, 1970, 1971, 1973, 1974, 1975, 1978, 1979 och 1981. Han valdes in i Hockey Hall of Fame 2006.