В 1974 году с отличием окончил Лечебный факультет Волгоградского государственного медицинского института, был Ленинским стипендиатом. Далее здесь же — младший научный сотрудник Центральной научно-исследовательской лаборатории (ЦНИЛ) ВГМИ. С 1976 года — ассистент кафедры фармакологии, с 1989 года — профессор. С 1991 года — директор НИИ фармакологии. В 1990-2019 гг. — ректор Волгоградского государственного медицинского университета. В настоящее время — Президент университета, заведующий кафедрой клинической фармакологии и интенсивной терапии. Директор Научного центра инновационных лекарственных средств ВолгГМУ. С 2002 года — директор Волгоградского регионального научного центра РАН.
Член-корреспондент РАМН с 1997 года, академик РАМН с 2000 года, академик РАН c 2013 года — Отделение медицинских наук.
Академик РАН В.И. Петров — основатель и признанный лидер российской школы клинических фармакологов. Приоритетное направление его научной деятельности — разработка и изучение отечественных инновационных лекарственных средств, внедрение принципов доказательной и персонализированной медицины в реальную клиническую практику. В.И. Петровым разрабатываются федеральные клинические рекомендации по диагностике и лечению социально-значимых заболеваний, по рациональному использованию ресурсов системы здравоохранения на основе принципов клинико-экономического анализа, а также порядок оказания медицинской помощи по профилю «Клиническая фармакология». С 2009 года Главный внештатный специалист — клинический фармаколог Министерства здравоохранения РФ. Был самым молодым в стране ректором медицинского вуза — назначен на должность в 39 лет.
В 1977 года кандидат медицинских наук, с 1987 года — доктор медицинских наук.
В области клинической фармакологии основные научные достижения В.И. Петрова связаны с проведением доклинической и клинической апробации новых отечественных лекарственных средств таких как Калия аспарагинат, Магния аспарагинат, Аспаркам — L, Кардос, Поликатан, Таукард, Ликосол-2000, Ликонтин-Ф, свыше двухсот наименований препаратов-антител, а также кардиотропного препарата Дибикора и противодиабетического препарата Диабенола. В клиническую практику внедрены препараты тауфон, карфедон, ритмидазол, аспаркам-L, бальнеологические препараты на основе бишофита. Им открыт новый класс ненуклеозидных ингибиторов вирусной репродукции на основе арилоксиалкилпроизводных пуриновых оснований, проявляющих высокую активность в отношении ВИЧ-1 и герпесвирусов. Занимался организацией лицензированного проведения клинических испытаний лекарственных средств на базе клиник ВолГМУ, лечебных учреждений. В.И. Петровым в 2002 году разработана инициативная научно-исследовательская программа «Российский магний», направленная на глубокую переработку минерала бишофит.
Основными научными направлениями В.И. Петрова в области фармакологии являются фундаментальное изучение нейроактивных аминокислот и их производных, поиск новых психотропных препаратов на основе возбуждающих аминокислот; клиническая фармакология сердечно-сосудистых средств; средств, применяемых при лечении аллергических заболеваний; а также препаратов, улучшающих функцию органов и систем у больных и пораженных в результате аварии на Чернобыльской АЭС, поиск и клиническое изучение лекарственных средств для коррекции нарушений профессионально значимых функций и качеств у лиц операторских профессий; создание препаратов на основе сверхмалых доз антител к С-концевому фрагменту рецепторов (к рецептору ангиотензина II и другой класс средств — к рецептору инсулина); поиск и изучение лекарственных средств, применяющихся в восстановительной медицине; новые технологии в лечении сахарного диабета типа 2.
Среди множества новых проектов В.И. Петрова можно выделить работы в области фармакоэкономики и фармакоэпидемиологии и организацию подготовки нового поколения врачей — семейных докторов.
Экспертная работа В.И. Петрова в рамках подготовки и обсуждения Федерального закона «Об обращении лекарственных средств» от 12.04.2010 N 61-ФЗ, способствовала качественному пересмотру политики государства в сфере обращения лекарственных средств, заложив правовую основу для её гармонизации с международными регуляторными требованиями. В 2020 году был утвержден профессиональный стандарт «Врач — клинический фармаколог», подготовленный коллективом главного специалиста Минздрава России и президента Ассоциации клинических фармакологов В.И. Петрова, что стало важной вехой развития этой специальности в нашей стране.
Почти 30 лет В.И. Петров был ректором Волгоградского государственного медицинского университета, под его руководством университет стабильно входил и в настоящее время входит в десятку лучших медицинских вузов России. В.И. Петров удостоен звания «Ректор года», а вуз под его руководством — вошел в рейтинг «100 лучших вузов России», чему свидетельствует золотая медаль.
В 1995 году В.И. Петров добивается открытия фармацевтического факультета, внедрения в повседневную практику больниц Волгоградской области и других территорий Южного федерального округа основ фармакоэпидемиологии, фармакоэкономики и принципов доказательной медицины в определении рациональной фармакотерапии больных, В.И. Петровым эффективно консолидирована деятельность региональных служб клинической фармакологии.
В целях развития фармакологической службы в РФ и создания новых отечественных лекарственных препаратов В.И. Петровым был организован в 1991 году Научно-исследовательский институт фармакологии на базе подразделений Центральной научно-исследовательской лаборатории ВГМИ. Сегодня НИИ фармакологии стал одним из наиболее результативных и авторитетных фармакологических центров не только России, но также Центральной и Восточной Европы, а разработанные полностью или при участии волгоградских ученых лекарственные и иные препараты успешно выпускаются лидерами мировой фармаиндустрии.
По инициативе В.И. Петрова в 2002 году был открыт Региональный детский центр аллергологии и иммунологии. В 2003 году под его руководством был создан Волгоградский научный центр РАМН, который объединил усилия Волгоградских НИИ — Противочумного, Токсикологии и Профпатологии МЗСР РФ, клинической и экспериментальной ревматологии РАМН, Волгоградского кардиологического центра и других научных подразделений — в решении региональных социально значимых медико-биологических проблем.
В 2006 году в Волгограде на базе ВолГМУ открыта университетская Российско-американская клиника семейной медицины. В ВолгГМУ построен Научный центр инновационных лекарственных средств с опытно-промышленным производством.
В.И. Петров был инициатором и организатором I Всероссийского съезда фармакологов в Волгограде (1995), достойно представлял отечественную медицинскую науку на 19 международных симпозиумах и конгрессах, читая лекции в университетах Италии, Франции, США.
Создатель школы клинических фармакологов — под его руководством защищено 40 докторских и 170 кандидатских диссертаций. Каждая шестая кафедра клинической фармакологии в России возглавляется его учеником.
Автор более 750 научных работ, в их числе: учебники, монографии, книги. Автор 25 изобретений и патентов. Издал книгу о лечении COVID-19, в которой представлена эволюция развития принципов терапии инфекции COVID-19 с точки зрения клинической фармакологии, рассмотрены основные принципы и подробные алгоритмы принятия диагностического решения, клинические подходы к лекарственной терапии новой коронавирусной инфекции SARS-CoV-2, изложены современные данные об особенностях поражения сердечно-сосудистой, эндокринной, цереброваскулярной систем, почек, органов дыхания у инфицированных SARS-CoV-2.
Главный редактор журналов «Вестник Волгоградского государственного медицинского университета», «Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН», «Биоэтика», «Лекарственный вестник».
Дважды избирался в состав президиума РАМН, выступил инициатором создания межрегиональной общественной организации «Ассоциация клинических фармакологов» и впоследствии был выбран её президентом. Член учебно-методического объединения при Минздраве России, был заместителем председателя Проблемной комиссии по фармакологии обмена веществ Межведомственного Научного Совета РАМН, член Президиума Всероссийского научного общества фармакологов.
Председатель докторского диссертационного совета по фармакологии, клинической фармакологии, терапии, кардиологии и ревматологии Волгоградского медицинского университета, член экспертного совета ВАК РФ.
Член Российской экологической академии, «Почетный профессор» ВГМУ им. Н.Н. Бурденко.
Был заместителем председателя совета ректоров медицинских и фармацевтических вузов России, председатель Совета ректоров вузов Волгоградской области, председатель Общественного совета при губернаторе Волгоградской области, Почетный гражданин города-героя Волгограда.
Член Оксфордского Клуба ректоров Европы (The Club of the Rectors of Europe, CRE), член Международной Академии наук высшей школы, член Российского отделения Международной академии наук (Мюнхен), член Нью-Йоркской академии наук.
Заслуженный деятель науки РФ, Заслуженный врач РФ.
Награжден орденом Почёта, орденом Дружбы, орденом Александра Невского.
Лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, Лауреат премии Ленинского комсомола.
Удостоен Почётной грамоты Президента РФ.
Ему вручены Знак «Отличник здравоохранения», медаль «За содействие органам наркоконтроля», Почетная грамота Министерства здравоохранении и социального развития РФ, медаль «Патриот России».
Лучший ректор среди медицинских и фармацевтических вузов России — лауреат конкурса «Лучший преподаватель медицинского вуза-2011» в номинации «За высокое качество руководства вузом», лауреат Всероссийской Почётной премии «Руководитель года 2016», отмечен наградой «Хрустальный рыцарь» за сохранение и укрепление коллектива вуза в период реформ в высшем образовании.
«Заслуженный деятель науки республики Калмыкия», «Почетный гражданин города-героя Волгограда».
Отмечен наградами: Золотая медаль П. Эрлиха — международная награда Европейского комитета по наградам деятелям мира в сфере медицины за научные достижения, Орден Золотого Орла — высшая Европейская награда в области медицинской науки, Международная премия «Профессия — жизнь» и орден «Честь, Доблесть, Созидание, Милосердие», Орден Чести I ст., Золотая медаль Американского биографического института с избранием «Человеком года» — за большой вклад в науку.