Генерал-лейтенант-инженер (1966]). Доктор технических наук (1947), действительный член Академии Артиллерийских наук (1946). Член КПСС с 1942 года. В Красной Армии с 1944 года.
Родился в деревне Докторово Тульской губернии в семье крестьянина.
В 1919—1920 годах работал на железной дороге, был курсантом пехотной школы, затем снова работал в деревне, избирался в сельсовет.
В 1924—1925 годах служил в Красной Армии и вечерами учился на рабфаке, который окончил в 1927 году.
В 1927 году поступил в МВТУ им. Баумана. В 1930 году был переведен на военно-механический факультет Ленинградского машиностроительного института, который закончил в 1931 году. В этом же году начал работать на заводе № 172 в Мотовилихе (Пермь) сначала начальником технического бюро цеха, затем начальником сборочного участка, с 1934 года — старшим инженером-конструктором, с 1938 — начальником опытного конструкторского бюро, затем главным конструктором завода.
В 1936 году возглавил разработку 152-мм гаубицы МЛ-20, успешно прошедшей испытания в 1937 году и принятой к серийному производству, затем создал 122-мм корпусную пушку образца 1931/37 г., принятую к производству в 1939 году.
В марте 1937 года на заседании Совета Труда и Обороны в Кремле с участием И. В. Сталина и К. Е. Ворошилова и директоров и главных конструкторов ряда ведущих артиллерийских заводов Ф. Ф. Петров выступил с изложением своих конструкторских предложений по созданию новой массовой 122-мм дивизионной гаубицы. Получив поддержку высшего руководства, в 1938 году был назначен начальником опытного конструкторского бюро и во главе небольшого коллектива в короткие сроки разработал 122-мм гаубицу образца 1938 года (М-30) — одно из лучших орудий этого калибра, состоявшее на вооружении артсоединений прорыва Резерва Главного Верховного Командования в годы Великой Отечественной войны.
Руководством страны было принято решение освоить производство новой гаубицы сразу на трех заводах — на Мотовилихе, Уралмашзаводе и заводе № 92, где М-30 подверглась острой, но далеко не всегда обоснованной критике В. Г. Грабина. Однако особенно неблагополучная обстановка сложилась на Уралмашзаводе. Для исправления создавшегося положения и оказания помощи на завод прибыла комиссия ЦК ВКП(б) вместе с руководителями ГАУ и НКВ. По результатам ее работы было заменено руководство завода. Для укрепления кадров (старое малочисленное артиллерийское КБ завода в связи с серией неудачных работ почти распалось) и более оперативного решения вопросов при постановке на серийное производство М-30 в 1940 году на Уралмашзавод были переведены Ф. Ф. Петров, А. Н. Булашев, Н. Г. Кострулин.
С этого времени и до 1974 года жизнь Ф. Ф. Петрова была неразрывно связана с заводом № 9 и с КБ, которое, несмотря на свою малочисленность, в годы Великой Отечественной войны разработало под его руководством восемь принятых на вооружение артиллерийских систем: 152-мм гаубицу Д-1, 85-мм, 100-мм и 122-мм орудия для самоходных пушек, 122-мм и 152-мм самоходные гаубицы, 85-мм пушку Д-5Т для танков Т-34 и ИС-1 и 122-мм пушку Д-25Т для танков ИС-2 и ИС-3.
В 1942 году он был назначен главным конструктором артиллерийского завода. В конце 1942 года в короткий срок создал вместе с конструктором танков Ж. Я. Котиным самоходно-артиллерийскую установку СУ-122. В 1943 году разработал 152 — мм гаубицу образца 1943 г., затем мощные 85, 100, 122-мм пушки для перевооружения танков ИС и Т-34, самоходных установок СУ-85, СУ-100 и СУ-122.
Нужно отметить, что Федор Федорович был одним из первых создателей боевых тактических ракет. Он был Главным конструктором созданной в 1958 году ракеты «Онега» с пороховым двигателем. Ракета содержала много технических новинок, в частности, оригинальную систему управления, которая впервые в мире использовала цифровую технику.
В 1974 году Ф. Ф. Петров переехал в Москву, где продолжал работать в МОП. С 1975 года — в отставке.
Был депутатом Верховного Совета СССР 2-го и 4-го созывов.
Умер 19 августа 1978 года.
Широкая унификация и высокая технологичность основных агрегатов, характерные для орудий Ф. Ф. Петрова, позволили в кратчайшие сроки организовать их массовое производство и обеспечить фронт оружием Победы, намного превосходящим аналогичное вооружение всех воевавших армий других государств.
В предвоенные годы и в годы Великой Отечественной войны под его руководством созданы:
В послевоенный период под его руководством разработаны:
До 1974 года были созданы буксируемые пушки различного класса: Д-44, Д-48, СД-44, СД-57, Д-74, пушка-гаубица Д-20, гаубица Д-30 (2А18). Были разработаны орудия 2А31, 2А33 для самоходных гаубиц 2С1, 2С3. Большинство принимаемых на вооружение отечественных танков оснащались 76, 100 и 125-мм пушками разработки ОКБ-9. По своим тактико-техническим данным, надежности и живучести, простоте устройства и удобству эксплуатации все эти орудия отвечали требованиям времени и превосходили зарубежные аналоги.
В городе Венёв Тульской области года ему установлен памятник (1985).