Родился 16 августа 1954 г. в Оренбурге в семье военнослужащего.
В 1975 г. окончил Оренбургское высшее военное авиационное училище им. И. С. Полбина по специальности "летчик-инженер", в 1987 г. - Заочный институт советской торговли (Москва, ныне - Российский государственный торгово-экономический университет) по специальности "экономика труда".
До 1982 г. служил летчиком-инструктором в ВВС в Приволжском военном округе, командовал эскадрильей, дослужился до звания майора. В интервью газете "Ведомости" в 2006 г. рассказал, что был уволен из армии и исключен из КПСС за участие в антисоветском кружке.
В 1987-1989 гг. Сергей Петров был начальник участка в строительном тресте "Мосинжстрой".
В 1989-1991 гг. - директор подразделения по прокату автомобилей и услугам такси совместного советско-северокорейского предприятия "Розек".
В 1991 г. создал группу компаний "Рольф" (первоначально как совместное советско-сингапурское предприятие). До 2004 г. - президент, главный исполнительный директор "Рольф"; в 2004-2007 гг. - председатель правления группы. С 2016 г. - председатель совета директоров ООО "Рольф".
В 2007-2016 гг. - депутат Государственной думы РФ V и VI созывов. Избирался по федеральным спискам партии "Справедливая Россия" от Оренбургской области. Входил во фракцию справороссов, был членом думского комитета по бюджету и налогам.
В 2013-2015 гг. являлся председателем благотворительного фонда "Династия", учрежденного основателем компании "Вымпелком" Дмитрием Зиминым.
27 июня 2019 г. Следственный комитет РФ возбудил уголовное дело о незаконном выводе за рубеж 4 млрд руб. в отношении владельца компании-автодилера "Рольф" Сергея Петрова и ряда руководителей этой компании. После этого бизнесмен вышел из совета директоров "Рольфа". 6 сентября 2019 г. стало известно, что он заочно арестован и объявлен в международный розыск.
Является вместе с семьей собственником "Рольфа" через зарегистрированный на Кипре траст.
В 2014 и 2018 гг. Сергей Петров включался в список миллиардеров по версии американского журнала Forbes с состоянием 1 млрд долларов США. В 2019 г. русская версия журнала Forbes оценила его состояние в 900 млн долларов, поместив на 114-е место в списке богатейших россиян.
Женат, двое сыновей - Алексей и Александр.