20 августа 1941 года Петров стал командиром 25-й Чапаевской стрелковой дивизии, с которой принял участие в обороне Одессы. 5 октября 1941 года генерал-майор И. Е. Петров принял командование Приморской армией. Он руководил эвакуацией советских войск из Одессы на Крымский полуостров.