Nicolas est né le 28 février 1872 dans le village de Beketovo, dans le gouvernement de Voronej, dans une famille de gestionnaire de domaine. De 1892 à 1901, il a étudié à l'École supérieure des beaux-arts de l'Académie impériale des beaux-arts, à partir de 1896 avec I.E. Répine. En 1911, Petrov a présenté ses œuvres à une exposition internationale à Rome, et en 1916, il a reçu le titre d'académicien de la peinture.

Dans le magazine « Niva » de 1911, dans le numéro 13, son œuvre "Balcon" est décrite comme « un paysage charmant, plein de fraîcheur et d'une douce intimité familiale ». Dans le numéro 39 de 1913, on parle de son travail : « Dans ses tableaux, l'artiste N. Petrov recrée pour nous la vie ancienne des seigneurs terriens, connue de notre génération par les romans de Goncharov. Dans le tableau “Vieux seigneur”, on ressent quelque chose de typiquement goncharovien : devant nous se trouve Oblomov lui-même, dormant sur le canapé avec sa pipe invariable… ».

Nicolas Filippovitch Petrov a d'abord vécu à Saint-Pétersbourg, mais en 1910, il a déménagé à Penza. De 1910 à 1918, il a été directeur de l'École des beaux-arts de Penza, puis y a enseigné jusqu'en 1936.

En 1936, l'artiste est revenu à Léningrad, où il a occupé le poste de directeur adjoint de l'Académie des beaux-arts de toute la Russie. De 1937 à 1939, il a dirigé le département de peinture. Nicolas Filippovitch Petrov est décédé le 9 décembre 1941 dans le Léningrad assiégé.