Petrowa absolvierte 77 Partien für die russische Nationalmannschaft, in denen sie 86 Treffer erzielte. Mit der Russland gewann sie 2009 die Weltmeisterschaft und belegte 2008 den dritten Platz bei der Europameisterschaft. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann sie die Goldmedaille. Bei der Europameisterschaft 2018 errang sie die Silbermedaille.