Petrov begon met voetballen bij [[Botev Vratsa]] in zijn woonplaats destijds. Daar wordt hij opgepikt door de Bulgaarse meervoudig kampioen [[CSKA Sofia]], waarvoor hij twee seizoenen speelde. Daarin won hij het landskampioenschap en de Bulgaarse nationale beker. In 1998 werd hij aangetrokken door [[Servette FC]]. Dat zag hem aan het werk in de [[UEFA Cup]]-duels tegen hen. In zijn eerste seizoen won hij met Servette de ZwiterseZwitserse titel. Na drie seizoenen reist hij door naar [[VfL Wolfsburg]]. Daar was hij vier seizoenen basisspeler tot [[Atlético Madrid]] hem voor € 12.000.000,- overnam. Zijn eerste seizoen in Madrid verliepen moeizamer dan gewoonlijk en op den duur floot het thuispubliek hem uit. In zijn tweede seizoen bloeide hij niettemin op tot hij in oktober 2006 zijn enkelbanden scheurde en voor langere tijd uitgeschakeld was. In de zomer van 2007 werd Petrov voor € 7.000.000,- verkocht aan [[Manchester City FC]]. In juli 2010 nam [[Bolton Wanderers FC|Bolton Wanderers]] hem transfervrij over. Met die club degradeerde hij in 2012 naar de [[Football League Championship|Championship]]. Op 14 januari 2013 nam [[RCD Espanyol|Espanyol]] Petrov transfervrij over.
