Pada 17 Februari, ia telah diumumkan bahawa Petrov akan berlumba untuk Caterham F1 pada tahun 2012, dengan menggantikan pemandu Itali, Jarno Trulli, dan menjadi rakan sepasukan Heikki Kovalainen. Petrov mendapat tempat ke-20 pada pusingan kelayakan di Grand Prix Australia, dan berada di tempat ke-15 ketika beliau mengalami mengalami masalah stereng dan memaksanya bersara pada pusingan ke-36. Di Malaysia, Petrov mendapat tempat ke-16, di hadapan Kovalainen.