Petrov cũng trở thành một thành viên của Xô viết Tối cao Liên Xô khóa đầu tiên. Năm 1938, quân đoàn của ông được chuyển đổi thành Quân đoàn xe tăng 15. Ông tham gia vào cuộc xâm chiếm Ba Lan của Liên Xô vào tháng 9 năm 1939, trong thời gian đó ông lãnh đạo quân đoàn trong Trận Grodno. Trong chiến dịch này, quân đoàn đã được tiếp tế nhiên liệu bằng dù. Ngày 4 tháng 6 năm 1940, ông được thăng cấp Thiếu tướng. Tháng 7 năm 1940, ông trở thành phó chỉ huy Quân đoàn cơ giới 6. Tháng 10, ông trở thành thanh tra thiết giáp tại Quân khu đặc biệt miền Tây. Năm 1941, Petrov tốt nghiệp các khóa học cao cấp tại Học viện Quân sự của Bộ Tổng tham mưu. Ngày 11 tháng 3 năm 1941, ông được bổ nhiệm làm tư lệnh Quân đoàn cơ giới số 17, đóng quân gần Slonim. Quân đoàn cơ giới thứ 17 là một biên chế khung cán bộ, chỉ được trang bị 36 xe tăng.