Родился 2 января (15 января) 1917 г. в с. Чернолесское Ставропольского края, в семье служащего, русский.
В 1935 г. окончил 10 классов средней школы, в 1937 г. — «2 курса Орджоникидзевского педагогического института». В 1941 г. окончил 2- месячные курсы младших лейтенантов, в 1945 г. — ускоренный курс военной академии им. М.В. Фрунзе, в 1948 г. — основной курс этой же академии.
В Советской Армии с 22 ноября 1939 г., служил в полковой школе. В годы Великой Отечественной войны — командир взвода (август 1941 г. — март 1942 г.), на штабной работе (по декабрь 1942 г.), командир батальона автоматчиков, заместитель начальника штаба мотострелковой бригады (по март 1943 г.).
В представлении В.И. Петрова к очередному воинскому званию майор отмечалось, что "все поручаемые ему задания по оперативной работе выполняет четко и с честью... Часто бывает в подразделениях и помогает командирам батальонов в их работе. В сложной обстановке смелый, решительный и всегда бывает там, где требует обстановка".
С марта 1943 г. по декабрь 1944 г. В.И. Петров на штабной работе.
После Войны — на штабной работе в армейском звене, с июня 1953 г. по декабрь 1955 г. — командир полка, по январь 1957 г. — начальник штаба дивизии, по июль 1961 г. — командир дивизии.
Командующий войсками Дальневосточного Военного округа генерал-полковник Пеньковский В.А. в аттестации за ноябрь 1959 г. на командира 129-й мото-стрел-ковой дивизии В.И. Петрова отмечал, что "природное дарование, опыт войны, академия, опыт штабной и строевой службы (в хорошем сочетании) и старательность в службе позволяют сделать вывод о тов. Петрове как о хорошем командире дивизии. (Но в то же время!) Дивизией командует пока неровно, то вытянет, то завалит. Причин много, но главная все же — в самом Петрове. Равняет на себя, требует — как будто все могут сделать как он. Начинает нервничать, ругать людей...".
По июнь 1964 г. В.И. Петров — начальник штаба армии, по январь 1966 г. — командующий армией, по апрель 1972 г. — начальник штаба, по май 1976 г. — командующий войсками Дальневосточного военного округа. Затем первый заместитель Главнокомандующего Сухопутными войсками (май 1976 г. — декабрь 1978 г.), Главнокомандующий войсками Дальнего Востока (по ноябрь 1980 г.), Главнокомандующий Сухопутными войсками — заместитель министра обороны СССР (по январь 1985 г.), первый заместитель министра обороны СССР (по июль 1986 г.), генеральный инспектор Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР (по январь 1992 г.), советник начальника Генерального штаба Объединенных Вооруженных Сил Содружества независимых государств. С сентября 1992 г. — советник при Министерстве обороны Российской Федерации.
В. И. Петрову присвоено звание Героя Советского Союза (16.02.1982 г.). Он награжден 4 орденами Ленина (12.1967 г., 02.1978 г., 02.1982 г., 01.1987 г.), орденами Октябрьской Революции (02.1974 г.), Красного Знамени (10.1944 г.), 3 орденами Отечественной войны I степени (07.1944 г., 04.1985 г.), II степени (10.1943 г.), 2 орденами Красной звезды (11.1942 г., 10.1955 г.), орденом "За службу Родине в Вооруженных силах СССР" III степени (02.1976 г.), а также 13 медалями СССР и 16 орденами и медалями иностранных государств.
Воинские звания: полковник — присвоено 29 апреля 1952 г., генерал-майор -9 мая 1961 г., генерал-лейтенант — 16 июня 1965 г., генерал-полковник — 29 апреля 1970 г., генерал армии — 15 декабря 1972 г., Маршал Советского Союза -25 марта 1983 года.
Член КПСС с 1944 г., член ЦК КПСС с 1976 г., депутат Верховного Совета СССР с 1974 г.