Petrosjan verteidigte den Titel 1966 gegen Boris Spasski (4 Siege, 3 Niederlagen, 17 Unentschieden). Nach zehn Partien lag er mit zwei Punkten in Führung. In der zwölften Partie vergab Petrosjan nach starkem Spiel in Zeitnot den Gewinn und musste sich mit einem Remis begnügen, Spasski gewann daraufhin die 13. Partie und konnte in der 19. Partie ausgleichen, letztendlich gewann Petrosjan dennoch mit 12,5:11,5. Bei der Schachweltmeisterschaft 1969 wurde er erneut von Spasski herausgefordert und verlor dabei den Titel (4 Siege, 6 Niederlagen, 13 Unentschieden). Petrosjan spielte 1969 mit Schwarz deutlich aggressivere Eröffnungen als drei Jahre zuvor und ließ sich häufiger auf zweischneidige Stellungen ein. Er selbst führte seine Niederlage 1969 auf eine mangelnde Vorbereitung zurück. In der vierten und fünften Partie spielte Spasski mit beiden Farben die Tarrasch-Verteidigung und gewann beide Spiele.