Vitaly Petrov est le seul pilote actuellement engagé en Formule 1 qui n'ait pas débuté sa carrière avec le karting. Il débutera « tard » dans la compétition automobile, en participant de 1998 à 2001 à des rallyes et courses sur glace dans son pays[1]. En 2001, il dispute 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 première victoire avec l'écurie Campos mais ne termine que treizième du championnat. Il remporte une nouvelle victoire en 2008 et monte à quatre reprises sur le podium, ce qui lui permet de terminer troisième 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 permettent d'être engagé par l'écurie Renault pour disputer la saison 2010 de Formule 1 aux côtés de Robert Kubica[2]. Il devient le premier pilote russe en championnat du monde de Formule 1.
Les débuts en F1 de Vitaly sont difficiles : trois abandons consécutifs (suspension cassée à Sahkir, tête-à-queue à Melbourne, boîte de vitesses défectueuse en Malaisie). Petrov marque ses premiers points en championnat lors du Grand Prix de Chine, quatrième épreuve de la saison, où il se classe septième. Après une série de six scores vierges consécutifs, son écurie le somme d'obtenir des résultats sous peine de perdre son baquet de titulaire en 2011. Il réagit fort bien à cette pression en décrochant le point de la dixième place lors du Grand Prix d'Allemagne à Hockenheim puis en réalisant la semaine suivante, en Hongrie, sa meilleure qualification de l'année (sixième devant son coéquipier, ce qui n'était jamais arrivé auparavant). Petrov conclue sa prestation hongroise par une cinquième place finale qui le propulse à la douzième place du championnat du monde. En Italie, il finit treizième, à Singapour, onzième et il abandonne à Suzuka et en Corée du Sud. Au Grand Prix automobile d'Abou Dabi 2010, il se classe sixième derrière son coéquipier et termine à la treizième place du championnat du monde.