Николай Петров родился 22 июня 1890 года (по другим данным 21 июня (7 июля) 1890 года) в Екатеринбурге. Жена: Наталья Рашевская.
Творческую деятельность Николай Васильевич Петров начал в 1907 году как актёр в Вологодском драматическом театре. В 1908—1910 гг учился в режиссёрском классе МХТ под руководством В. И. Немировича-Данченко.
С 1910 по 1933 год работал в Александринском театре последовательно: помощником режиссёра, режиссёром, а в 1928 году стал директором и художественным руководителем театра. Тогда же, с 1910 года стал заниматься педагогической деятельностью. Так же в 1918—1920 гг работал в Петрозаводском драматическом театре, участвовал в постановке массовых представлений в Петрограде.
Работал в театрах «Летучая мышь», «Дом интермедий», «Бродячая собака», «Привал комедиантов» как режиссёр и конферансье, пользовался псевдонимом Коля Петер.
В 1920 году, совместно с Н. Н. Евреиновым, Ю. П. Анненковым стал организатором театра «Вольная комедия». В 1921—1922 годах был главным режиссёром Большого драматического театра.
Став художественным руководителем бывшего Александринского театра, Петров активно внедрял в репертуар советскую драматургию; им были поставлены спектакли по пьесам «Штиль» Билль-Белоцерковского, «Бронепоезд 14-69» Вс. Иванова, «Ярость» Яновского, «Чудак» Афиногенова, «Страх» Афиногенова.
В 1933 году Николай Петров возглавил Харьковским театром русской драмы. С 1939 по 1948 год был главным режиссёром Московского театра транспорта. За постановку в 1947 году в Малом театре совместно с К. А. Зубовым спектакля по пьесе «Великая сила» Б. С. Ромашова был удостоен Сталинской премии в 1948 году. С 1948 по 1953 год был главным режиссёром Московского театра Сатиры, с 1953 по 1956 очередным режиссёром. С 1956 года работал режиссёром Московского театра им. Пушкина.
Николай Петров руководил режиссёрским и актёрским факультетом ГИТИС, с 1946 года был профессором.