עם תחילת המתקפה הגרמנית ב-22 ביוני 1941, הוצב הקורפוס של פטרוב בעורף, אולם בשל פריצת הדרך הגרמנית הראשונית נשלח לחזית. הוא לחם בתחילה בקרב ביאליסטוק-מינסק, ולאחר מכן בקרבות סביב ברנוביץ', סטובטסי ומינסק. היחידות של פטרוב נשברו בהתקפה מוחצת מצד קורפוס הפאנצר ה-47. הקורפוס נסוג לנהר ברזינה, שם חבר ליחידות סובייטיות נסוגות אחרות. ב-5 ביולי הקורפוס נכלל במסגרת הארמייה ה-21 והוצב בבאברוסק. ב-7 ביולי כבר לא נותרו כלי רכב משוריינים בקורפוס, והוא הועבר לאזור סוקיניצ'י שם נכלל במסגרת הארמייה הרביעית. בתחילת אוגוסט 1941 הועבר פטרוב לפקד על הקורפוס ה-20 באזור הומל, אולם כבר ב-16 באוגוסט הועבר משם לפקד על הארמייה ה-50 שזה עתה הוקמה. הארמייה נכללה במסגרת חזית בריאנסק, הגנה על בריאנסק וקלוגה וניהלה התקפות מוצלחות כנגד ראש הגשר הגרמני על הנהר דסנה. במסגרת מבצע טייפון, הצליחו הגרמנים לכתר את חזית בריאנסק, באזור שכונה "כיס בריאנסק". ב-7 באוקטובר נפצע מפקד החזית אנדריי יריומנקו ופטרוב מונה למפקד החזית.