Родился 16 августа 1954 года в Оренбурге. В 1975 году окончил Оренбургское высшее военное авиационное училище по специальности «летчик-инженер», в 1987-м — Заочный институт советской торговли по специальности «экономика труда».

До 1982 года служил летчиком-инструктором в Приволжском военном округе, командовал эскадрильей, дослужился до звания майора. По его собственным словам, был уволен из армии и исключен из КПСС за участие в антисоветском кружке.

В 1987–1989 годах был начальником участка в строительном тресте «Мосинжстрой». С 1989 по 1991 год — директор подразделения по прокату автомобилей и услугам такси совместного советско-северокорейского предприятия «Розек». В 1991 году создал группу компаний «Рольф» (первоначально как совместное советско-сингапурское предприятие). До 2004 года был президентом и главным исполнительным директором, а затем — председателем правления.

В 2007 и 2011 годах избирался депутатом Госдумы от партии «Справедливая Россия» (V и VI созывы). Входил в комитет по бюджету и налогам.

В 2013–2015 годах был председателем благотворительного фонда «Династия», учрежденного основателем компании «Вымпелком» Дмитрием Зиминым.

В июне 2019 года Следственный комитет РФ возбудил уголовное дело о незаконном выводе за рубеж 4 млрд руб. в отношении Сергея Петрова и ряда руководителей этой компании. После этого бизнесмен вышел из совета директоров «Рольфа». В сентябре 2019 года он был заочно арестован и объявлен в международный розыск.

В 2019-м журнал Forbes оценивал состояние господина Петрова в $900 млн (114-е место в списке богатейших россиян).

Проживает в Австрии, где имеет гражданство. Женат, два сына.