El 20 de agosto de 1941, Petrov es nombrado jefe de la 25.º División de Fusileros "Chapayevskaya",con la que participó en la defensa de Odesa. El 5 de octubre de 1941, el mayor general Petrov acepta el nombramiento de jefe del Ejército Independiente Primorskie (también conocido como Ejército Costero Independiente), ejército que tuvo un destacado papel en la defensa de Odesa y posteriormente de Sebastopol. A partir del 14 de octubre, Petrov dirigió la evacuación de las tropas soviéticas de Odesa a la península de Crimea. La invasión de las península de Crimea por parte del 11.º Ejército alemán, al mando del general Erich von Manstein, hacía insostenible la defensa de Odesa, con lo que el Alto Mando soviético ordenó la retirada al puerto de Sebastopol, retirada que se realizó de forma ordenada y con pocas bajas.