Надежда родилась в семье спортсменов, её отец Виктор был метателем молота, а мать Надежда Ильина была бронзовой призёркой Олимпийских игр 1976 в Монреале в эстафете 4х400 м.
Россиянка открыла в США собственную компанию под названием Petrova Dream Team. Планирует вести благотворительные акции в помощь детям. Возможно, займётся разработкой линии теннисной одежды.
В возрасте 8 лет Надежда начала заниматься теннисом и стала победительницей в 1998 году на Открытом чемпионате Франции среди юниоров.
В 1999 году Петрова стала профессиональной теннисисткой и в том же году пробилась в сотню лучших ракеток мира.
На турнирах Большого шлема её лучших результатом стали полуфиналы в 2003 и 2005 на Открытом чемпионате Франции.
В марте 2005 года Надежда стала 3-й ракеткой мира в парном разряде, а в мае 2006 года, после победы в финале турнира в Берлине над Жюстин Энен, сумела повторить это достижение и в одиночном разряде.
В парном разряде Петрова в 2001—2004 годах часто выступала в паре с Еленой Докич из Сербии и американкой Меган Шонесси. В августе 2006 года выиграла турнир в Монреале вместе с легендарной Мартиной Навратиловой. В 2009 году играла в паре в основном с американкой Бетани Маттек.
Надежда 7 сезонов подряд (2003—2009) заканчивает год в числе 20 лучших теннисисток планеты в одиночном разряде.
По состоянию на 2 апреля 2012 года
Для того, чтобы предотвратить неразбериху и удваивание счета, информация в этой таблице корректируется только по окончании турнира или по окончании участия там данного игрока.
К - проигрыш в отборочном турнире; NM5 — Турнир не входит в категории Premier Mandatory и Premier 5.
NM5 — Турнир не входит в категории Premier Mandatory и Premier 5.
Данные указаны на 2 апреля 2012
На время Уимблдонского турнира много лет подряд останавливается неподалёку от стадиона, у одной и той же женщины, которая раньше была хозяйкой китайского ресторана.