Petrov dilahirkan pada 7 September 1939 berhampiran Vladivostok. Ayahnya, Yevgraf, menerbangkan pesawat tempur semasa Perang Dunia II.[7] Ibunya ialah seorang jururawat.[7]

Petrov mendaftar di Kolej Radio-Teknikal Kejuruteraan Tinggi Kiev Tentera Udara Soviet, dan setelah lulus pada 1972 beliau menyertai Angkatan Pertahanan Udara Soviet.[8] Pada awal tahun 1970-an, beliau ditugaskan untuk pertubuhan yang mengawasi sistem peringatan awal yang baru yang bertujuan untuk mengesan serangan peluru berpandu balistik dari negara-negara NATO.[7][9]

Petrov telah berkahwin dengan Raisa, dan mempunyai seorang putra, Dmitri, dan seorang anak perempuannya, Yelena. Isterinya meninggal kerana barah pada tahun 1997.[7]