Vitaly Petrov débute en compétition automobile en 2001 en disputant la coupe Lada qu'il remporte en 2002. Renault le remarque en 2003 et lui fait disputer différents championnats de Formule Renault 2000 où il ne s'illustre guère. Entre-temps, Petrov continue de disputer des compétitions organisées par Lada et remporte la Lada Revolution Russia en 2005. La même année, il remporte le championnat de Russie de Formule 1600
Vitaly s'engage alors en GP2 à partir de 2006. En 2007, il remporte sa 1re victoire avec l'écurie Campos mais ne termine que 13e du championnat. Il remporte une nouvelle victoire en 2008 et monte à 4 reprises sur le podium, ce qui lui permet de terminer 3ème du championnat. Petrov s'engage avec Barwa Addax pour la saison 2009 et termine vice-champion, derrière Nico Hülkenberg.
Ses bonnes performances, ainsi que l'apport d'un substantiel complément budgétaire, lui ont permis d'être engagé par l'écurie Renault pour disputer la saison 2010 aux côtés de Robert Kubica1. Il devient le premier pilote russe en championnat du monde de Formule 1.
Vitaly Petrov, débutant en Formule 1, a rejoint Renault F1 Team en début d’année pour faire équipe avec Robert Kubica. Si la direction de l’équipe a conscience du manque d’expérience du pilote russe au volant d’une F1, ce dernier a confié qu’il avait un objectif chiffré. « L’équipe m’a précisé qu’elle comptait sur moi pour qu’à la mi-saison, je commence à marquer des points », a-t-il confié. Autohebdo
Parce que cette interview date du 28 février, faite par le site officiel 
