После демобилизации в 1921 году Петров переехал в Белоруссию и устроился на работу ординатором Витебской городской больницы имени М. И. Калинина. С 1928 года он возглавлял хирургическое отделение Витебской детской больницы, а с 1934 года был ассистентом кафедры Витебского государственного медицинского института. Под руководством Петрова была создана Витебская областная станция переливания крови, начат приём больных костным туберкулёзом в Витебском туберкулёзном диспансере. Учился методике операций на головном и спинном мозге у Николая Бурденко, после чего первым в Витебске начал их проводить. С 1935 года доцент Николай Петров заведовал кафедрой общей хирургии Витебского государственного медицинского института. В 1937 году он защитил кандидатскую, а в 1940 году — докторскую диссертации, а в 1941 году был утверждён в должности профессора[1].
В начале Великой Отечественной войны Петров был отправлен в эвакуацию на Урал, работал профессором на кафедре факультетской хирургии Свердловского государственного медицинского института. Занимался лечебной, профилактической и консультативной деятельностью в военных госпиталях[1].
Когда в конце 1943 года в Ярославле был воссоздан Минский государственный медицинский институт, Петров возглавил в нём кафедру факультетской хирургии. С осени 1944 года институт базировался в Минске[1].
Под руководством Петрова была создана образцовая клиническая хирургическая база института, защищены четыре кандидатские диссертации. Являлся автором более чем 30 научных работ в области хирургии. Будучи практикующим хирургом, Петров предложил несколько прогрессивных усовершенствований хирургических операций на желудке и при нагноениях конечностей, что позволило снизить количество осложнений и летальности операций[1].