רק הופעתו התשיעית של פטרוב בנבחרת, ב-7 באוקטובר 2000 במסגרת מוקדמות מונדיאל 2002, הייתה בהרכב הפותח. את שער הבכורה שלו כבש כחודש לאחר מכן, בניצחון 1–2 על במשחק ידידות. לפטרוב היה חלק משמעותי במשחק מוקדמות המונדיאל, כאשר כבש שני שערים בתשע הופעות במסגרת המוקדמות, אך בולגריה נותרה מחוץ לטורניר הגמר כאשר סיימה במקום השלישי בבית.