Сергей Петросян родился в Баку, но в 1989 году из-за начала Карабахского конфликта его семья была вынуждена переехать в город Горячий Ключ (Краснодарский край). Начал заниматься тяжёлой атлетикой в 1998 году под руководством заслуженного тренера России Сергея Пойразяна. В 2005 году стал чемпионом Европы среди юношей, а в 2006 году выиграл серебряную медаль на юниорском чемпионате мира. С 2007 года входит в состав национальной сборной России. В том же году победил на чемпионате Европы в Страсбурге, а через год повторил этот успех на чемпионате Европы в Линьяно. Не принял участия в Олимпийских играх в Пекине, так как тренерский штаб российской сборной не стал выставлять в весовой категории до 62 кг представителя России.