Petrov nació en Shumen. Militar de talento, fue nombrado jefe de Estado Mayor a los 24 años y Ministro de Defensa a los 27 años.^[1]​ Su estatura aumentó gracias al papel destacado que desempeñó en la represión de un motín del ejército en 1887.^[2]​ En 1887 se casó con Sultana Pantaleeva Minchovich, con la que tuvo tres hijos. Tras un matrimonio infeliz, se divorciaron en 1919.^[3]​

Tanto Petrov como su esposa mantenían una estrecha relación personal con el zar Fernando I de Bulgaria^[4]​, y en 1891 fue ascendido por Fernando al grado de coronel, siendo el primer oficial que ostentaba ese rango en Bulgaria.^[5]​ Petrov también asistió a la boda de Fernando con la princesa María Luisa de Borbón-Parma en Italia en 1893.^[6]​ La decisión de Fernando en 1894 de poner a Petrov al mando del ejército por completo, y por tanto fuera del mando del primer ministro Stefan Stambolov, precipitó la dimisión de este último.^[7]​

Como político, fue dos veces primer ministro de Bulgaria, inicialmente como jefe no partidista de una administración provisional en 1901, cuya única tarea era organizar las siguientes elecciones.^[8]​ Volvió como primer ministro por un periodo más largo, de 1903 a 1906, habiendo sido nombrado por temor a una guerra tras una insurrección búlgara en la Macedonia otomana.^[9]​ Su gobierno se preocupó especialmente de los asuntos militares y supervisó un programa de armamento y una amplia modernización del ejército búlgaro.^[10]​

Durante la segunda guerra de los Balcanes, Petrov, que ya era teniente general, asumió el mando del III Ejército y lo dirigió en la batalla de Bregalnica, una victoria serbia.^[11]​

Durante la Primera Guerra Mundial fue jefe del recién creado Oblast de Inspección Militar de Macedonia, desde diciembre de 1915 hasta octubre de 1916.^[12]​