Nella stagione 2006, Petrov fece il suo debutto in GP2 con la David Price Racing, dove rimpiazzò Olivier Pla che aveva perduto la sponsorizzazione della Direxiv a partire dal weekend di Hockenheim. Nella stagione 2007 passò alla Campos Grand Prix, dove trovò come compagno di scuderia Giorgio Pantano; per cinque volte giunse a punti, vincendo anche una gara sul Circuito Ricardo Tormo di Valencia. Nella stagione 2008 partecipa prima alla GP2 Asia, in cui terminò terzo dietro a Romain Grosjean e Sébastien Buemi con una vittoria sul Circuito di Sepang, e poi alla GP2 dove concluse settimo nella generale con una vittoria sul Circuito urbano di Valencia. Nella stagione successiva passò alla Barwa Addax, erede della Campos Grand Prix, con la quale giunse quinto nella GP2 Asia con una nuova vittoria a Sepang e secondo in GP2 alle spalle di Nico Hülkenberg con due vittorie, a Istanbul e a Valencia.