Понте-Ведра-Бич
На Австралийском чемпионате 2009 года Петрова прошла в стадию четвёртого раунда. В апреле она сыграла свой первый в полуфинал в сезоне на турнире в Понте-Ведра-Бич. Через неделю после этого на турнире в Чарлстоне она выиграла парный титул в дуэте с Бетани Маттек-Сандс. В начале мая Маттек-Сандс и Петрова выиграла ещё один парный трофей на турнире в Штутгарте. На Ролан Гаррос их дуэт смог выйти в четвертьфинал парных соревнований, а в миксте Надя дошла до полуфинала в партнёрстве с Максимом Мирным. На Уимблдоне Петрова вышла в четвёртый раунд, где проиграла Виктории Азаренко. Также она выступила и на Открытом чемпионате США, уступив в матче за 1/4 финала Мелани Уден. В парных соревнованиях в США Петрова вышла в четвертьфинала с Маттек-Сандс. В октябре на премьер-турнире в Пекине она смогла в третьем раунде победить Серену Уильямс со счётом 6-4, 3-6, 7-6(5). Затем обыграв Пэн Шуай, Надя вышла в полуфинал, проиграв там в свою очередь Светлане Кузнецовой. На Кубке Кремля она вновь смогла выиграть парные соревнования, где она сыграла в команде с Марией Кириленко.