En marzo de 1943, Petrov es nombrado jefe de Estado Mayor, y en mayo está al mando del Frente del Cáucaso Norte. Con dicho frente participó en la Batalla del Cáucaso. En estos puestos se distinguió en batallas en la defensa del Cáucaso, jugó un papel especialmente significativo durante la defensa de la ciudad de Tuapse. Posteriormente, el frente participó exitosamente en la Operación Novorosíisk-Taman, combatiendo por la liberación de la península de Tamán y de las ciudades de Maikop, Krasnodar y Novorosíisk, en la región de Kubán, en el Caucaso Norte. El 27 de agosto de 1943, Petrov es ascendido a coronel general, y el 9 de octubre a general de ejército.