Учась в Петербургском университете на юридическом факультете, Владимир Петров одновременно посещал занятия драматического отделения театрального училища, которое находилось при Александринском театре.
Отслужив в армии во время Первой мировой войны, Петров в 1917 году стал актером петроградского «Лесного зимнего театра». В 1918 году он уехал в Англию, где работал в труппе известного режиссера Гордона Крэга, и вернулся на родину в 1920 году. Затем Петров решил получить режиссерское образование, для чего в 1924 году посещал курсы Висковского. Через год он уже работал на студии «Севзапкино», будущем «Ленфильме», в качестве помощника режиссера.
Совместно с Н. Берсеневым Петров в 1928 году поставил свой первый фильм – детскую картину «Золотой мед». Следующие ленты начинающего режиссера также были обращены к молодому поколению: «Джой и дружок», «Адрес Ленина» и «Фриц Бауэр». Затем Владимир Петров взялся за более серьезные проекты. После экранизации пьесы Островского «Гроза» в 1934 году он по праву вошел в число ведущих режиссеров СССР.
Классикой советского кинематографа стала масштабная картина «Петр Первый», поставленная по одноименному роману Алексея Толстого и вышедшая на экраны в 1937-39 годах. Исполнитель главной роли Николай Симонов мгновенно стал культовым актером. За этот фильм Владимир Петров удостоился первой в своей карьере Сталинской премии.
В годы войны Петров перешел работать на «Мосфильм». На этой студии он выпустил ленту «Кутузов», а затем снова экранизировал Островского, на этот раз, поставив картину «Без вины виноватые», которая не только принесла режиссеру Сталинскую премию, но и была отмечена премией на Венецианском кинофестивале в 1946 году. В 1949 году на экраны вышла лента «Сталинградская битва». В 1950-е годы режиссер больше внимания уделил экранизациям классики, сняв «Ревизора» по Гоголю, «Поединок» по Куприну и «Накануне» по Тургеневу. Последней его работой стала картина «Русский лес» 1964 года. Владимир Петров скончался 7 января 1966 года в Москве.
