A principios de agosto de 1941, Petrov fue nombrado comandante del 20.º Cuerpo de Fusileros en el área de Gómel. El 16 de agosto, se convirtió en comandante del recién constituido 50º Ejército del Frente de Briansk como resultado de una directiva de la Stavka del 14 de agosto.El 50º Ejército defendió los accesos de Briansk y Kaluga y realizó contraataques infructuosos contra una cabeza de puente alemana en el río Desná.El sector del ejército estuvo relativamente tranquilo durante septiembre y por esta época el periodista Vasili Grossman visitó el cuartel general del 50º Ejército. A principios de octubre, el ejército fue rodeado durante la Operación Defensiva Orel-Briansk (véase operación Tifón), en un área conocida como la bolsa de Briansk. El 7 de octubre, mientras estaba atrapado en la bolsa con sus tropas, Petrov se convirtió en comandante del Frente de Briansk después de que el comandante del frente el teniente coronel Andréi Yeriómenko fuera dado por muerto por error.