Nel campionato del mondo 1963, vinse il torneo dei candidati di Curaçao 1962 e l'anno successivo sconfisse Michail Botvinnik per 12,5 a 9,5 diventando così il nuovo campione del mondo di scacchi. Botvinnik patì lo stile cauto e paziente dell'armeno, con il quale bastava un'unica mossa avventata o anche solo imprecisa da parte sua perché Petrosyan lo punisse duramente. Lungo la strada al campionato del mondo è l'unico giocatore della storia ad essere stato imbattuto durante tutte le partite degli interzonali e del torneo dei candidati.