W tym czasie Petrow zadebiutował także w reprezentacji Bułgarii, którą prowadził - przed przyjściem do CSKA - Mładenow. Po raz pierwszy wystąpił w kadrze w towarzyskim spotkaniu z Algierią (2:1), 14 listopada 2000, kiedy w 66 minucie zmienił na boisku Todora Janczewa. Później zagrał w kilku spotkaniach eliminacji do Mundialu 2002. Z jego usług zrezygnował w 2003 roku następca Mładenowa, Płamen Markow.