Виталий Петров родился 8 сентября 1984 года в Выборге.

В отличие от большинства профессиональных автогонщиков, Петров начал свою карьеру не с картинга. Первый гоночный опыт он получил, начав участвовать в ралли-спринтах и ледовых гонках, в которых дебютировал в 1998 году. В 2001 году Виталий принял участие в российском Кубке «Лада», в 2002 году стал чемпионом этой серии; также в сезоне 2002 занял десятое место в «Формуле-Россия».

В 2003 году Петров выступал сразу в нескольких чемпионатах. Он провёл полный сезон в Итальянской Формуле-Рено 2.0, где стал 19-м, а также принял участие в нескольких этапах в других формульных сериях: Британской Формуле-Рено 2.0, Еврокубке Формулы-Рено 2.0, Евро Формуле-3000. В 2004 году россиянин проехал по четыре гонки в Еврокубке и Итальянской Формуле-Рено 2.0 и одну гонку в Евро Формуле-3000. В 2005 году Виталий участвовал в двух российских сериях: Кубке «Lada Revolution» и Формуле-1600; в обеих стал чемпионом. В 2006 году получил титул бронзового призёра в Итальянской Формуле-3000 и Евросерии-3000.

В 2007 году Виталий провёл сезон в серии GP2 в составе команды «Campos Grand Prix». Лучшим для него результатом в этом сезоне стало первое место в первой гонке в Валенсии; всего же он набрал только 21 очко и в личном зачёте занял 13-е место. Также в 2007 году российский гонщик выступил в нескольких гонках Серии Ле-Ман и в заезде «24 часа Ле-Мана».

Сезон 2008 GP2, который Петров провёл в команде «Barwa International Campos Team», был отмечен тремя подиумами на трассах в Валенсии, Стамбуле и Спа, однако всего россиянином было заработано только 39 очков, с которыми он занял 7-е место. В этом же году Виталий участвовал в девяти из 10 гонок серии GP2 Asia, где он с четырьмя подиумами набрал 33 очка и стал бронзовым призёром.

В 2009 году Петров всё-же сумел добиться успеха в GP2: благодаря двум победам и ещё пяти подиумам, он набрал 75 очков и в личном зачёте стал вторым. В проводившемся в новом формате сезоне 2008/09 GP2 Asia Виталий с 28 очками стал пятым.

31 января 2010 года было объявлено о подписании контракта с командой «Рено», по которому Петров стал её боевым пилотом. Его дебют в официальных заездах состоялся на Гран-при Бахрейна. За сезон 2010 Виталий в 19 гонках только четыре раза финишировал в очковой зоне, в результате чего набрал 27 очков и занял 13-е место в личном зачёте.

В декабре 2010 года было сообщено о том, что Виталий подписал новый двухлетний контракт с командой «Рено», которая с 2011 года стала носить название «Лотус-Рено». В первой же гонке сезона 2011 в Альберт-Парке россиянин занял третье место, а после этого ещё семь раз в гонках попадал в очковую зону; всего он заработал 37 очков и стал десятым в личном зачёте. В декабре 2011 стало известно, что Петров не проведёт сезон 2012 в составе «Лотус-Рено».

Сезон 2012 Петров провёл в команде «Катерхэм», о подписании контракта россиянина с этим коллективом было сообщено в феврале того года. Этот сезон стал для Виталия менее удачным, чем предыдущие: ни в одной из гонок не сумев набрать очков, он занял лишь 19-е место в личном зачёте. Для выступлений в Формуле-1 в 2013 году Петров не подписал контракта ни с каким коллективом.

В 2013 году Виталий не принимал участия ни в каких гоночных соревнованиях. Только в 2014 году он подписал контракт с командой «Mercedes AMG» на выступление в немецкой серии DTM. За время выступлений в этом чемпионате он не добился никаких успехов, во всех гонках финишировав лишь в конце пелотона и не набрал ни одного очка. В личном зачёте он занял последнее 23-е место.

В 2016 году Виталий Петров выступает в Чемпионате мира по автогонкам на выносливость в классе LMP2 в составе команды «SMP Racing».

Автоспорт;
Путь к мечте;
Лидерство;
Преодоление преград;
Преодоление страха.