Dvojnásobný olympijský víťaz a deväťnásobný majster sveta vytvoril na prelome 60. a 70. rokov 20. storočia obávanú útočnú trojicu s Valerijom Charlamovom a Borisom Michajlovom.
Najväčšiu časť kariéry strávil v CSKA Moskva, kde vybojoval jedenásť titulov majstra vtedajšieho ZSSR. Trikrát vyhral súťaž kanonierov i produktivitu sovietskej súťaže, v ktorej v 553 stretnutiach strelil 370 gólov. Trikrát bol aj najproduktívnejším hokejistom majstrovstiev sveta (1973, 1977, 1979). Hral na ZOH 1980 v Lake Placid, kde nečakane „zborná“ zakopla s americkým výberom.
Hráčsku kariéru ukončil Petrov v roku 1983, neskôr bol tréner a funkcionár, od 22. mája 1992 do 8. apríla 1994 aj prezident Ruskej hokejovej federácie. V roku 2006 ho prijali do Siene slávy IIHF. V posledných rokoch bol členom vedenia CSKA Moskva.
„Odišiel mimoriadny hokejista a človek. Nie vždy súhlasil s názorom trénerov, hádal sa aj s Anatolijom Tarasovom. Húževnatosť mu pomáhala vyhrávať. Hokeju sa venoval až do posledných dní svojho života,“ zareagoval na úmrtie prezident Ruskej hokejovej federácie Vladislav Tretiak.