8月12日、ペトロフ・ベイは第32.4任務群に合流するため真珠湾を出港し、8月24日午後にツラギ島に到着した。9月4日、ペトロフ・ベイはクリフトン・スプレイグ少将率いる第77.4.3任務群（通称「タフィ3」）に属する事となり、サギノー・ベイ("USS Saginaw Bay, CVE-82") およびカリニン・ベイ ("USS Kalinin Bay, CVE-68") とともにペリリュー攻撃とアンガウル攻撃の第2グループを形成する事となった。9月15日にペリリュー島に対する上陸作戦が開始されると、ペトロフ・ベイは上陸部隊に対する支援を開始。9月29日までの間、弾薬補給でコッソル水道に向かった期間を除いて日本軍拠点を爆撃し機銃掃射を行って、あるいは対空哨戒および対潜哨戒に活躍した。戦いを通じて、一度も日本機の空襲には遭遇しなかった。9月30日までにペリリュー島に航空基地が確保されるに及んで、ペトロフ・ベイはマヌス島に下がっていった。