Родился 13 декабря 1903 года в Одессе, в семье учителя. В 1920 году он окончил классическую гимназию, затем работал журналистом и инспектором уголовного розыска. В 1923 году переселился в Москву, где сотрудничал в различных журналах, публикуя фельетоны июмористические рассказы. В 1925 году познакомился с И.Ильфом. После возвращения с военной службы стал писать в соавторстве с Ильфом по инициативе своего брата, писателя Валентина Катаева. Совместно они написали романы "Двенадцать стульев" (1928) и "Золотой теленок" (1931), ставшие золотым фондом отечественной литературы, а также многочисленные фельетоны, составившие несколько сборников. В конце 1933 - начале 1934 года Петров вместе с Ильфом ездил в Италию и другие европейские страны, в 1935-1936 годах они полгода были в Америке. Впечатления от этой поездки отражены в книге очерков "Одноэтажная Америка" (1936). После смерти Ильфа Петров опубликовал часть его записных книжек, написал несколько киносценариев. В 1939 году вступил в партию. Во время Второй мировой войны работал журналистом. Погиб писатель 2 июля 1942 года в авиакатастрофе самолета между Севастополем и Москвой. Посмертно (1965) были опубликованы части неоконченного романа Петрова "Путешествие в страну коммунизма", над которым писатель работалв 1939-1942 годах.