Der Ukrainer Vitaliy Petrov besuchte zuerst die Ballettschule seiner Heimatstadt Dnipropetrowsk, dann die Ballettakademie in Kiew, das Europaballett Konservatorium St. Pölten in Österreich, die Schweizerische Ballettberufsschule in Zürich sowie die John Cranko Schule in Stuttgart.

Mit der Spielzeit 2004/05 wurde er Mitglied des Thüringer Staatsballetts. Zu seinen führenden Rollen zählten unter anderem der „Prinz“ in Dornröschen, „Franz“ in Coppélia, „Mephisto“ in Faust, die männliche Titelrolle in Romeo und Julia, „Iwan Zarewitsch“ in Der Feuervogel und „Escamillo“ in Carmen. Überdies war er in Choreografien von Nils Christe, Peter Werner-Ranke, Birgit Scherzer, Uwe Scholz, Robert North, Hugo Viera, Davide Bombana und Silvana Schröder zu erleben.

Im Jahr 2018 wurde er Trainings- und Ballettmeister und betreuender Ansprechpartner für die Eleven der Compagnie. In der Spielzeit 2020/21 wirkte er an den Ballettgalas Tanz aus der Reihe, Tour de Danse und TanzLust sowohl als Tänzer als auch als Ballettmeister mit. Seit 2024 ist Vitaliy Petrov Ballettdirektor am Theater Altenburg Gera.