Op de wereldkampioenschappen van 2001 in Edmonton behaalde Ljoedmila Petrova een zesde plaats op de 10.000 m. Het jaar erop werd ze derde op de marathon van Londen. In 2003 werd ze vijfde in Londen en vierde in New York City. In 2004 werd ze tweede op de marathon van Londen in een tijd van 2:26.02. Op de marathon op de Olympische Spelen van Athene in 2004 werd ze achtste. In 2005 behaalde ze in Londen weer een vijfde plaats en een zesde in New York City. Op de marathon van Londen van 2006 evenaarde zij met een tweede plaats haar beste resultaat uit 2004 in de Russische recordtijd van 2:21.29. Galina Bogomolova brak datzelfde jaar het record opnieuw op de Chicago Marathon, waarin Petrova achtste werd.