Pochodzi z rodziny sportowej. Ojciec Wiktor Pietrow startował jakomłociarz, matkaNadieżda Iljina zdobyła brązolimpiady w Montrealu (1976) w sztafecie 4x400 m; po zakończeniu karier oboje rodzice pracowali jako trenerzy lekkoatletyki. Część swojej młodości spędziła w Egipcie, gdzie jej rodzice pracowali jako trenerzy. Początek kariery Pietrowej związany był zPolską, zawodniczka przez kilka lat mieszkała i trenowała wKrakowie. W 1998 wygrała rywalizację juniorek w grze pojedynczej naFrench Open. Jako tenisistka zawodowa występuje od września 1999 roku.
Jej tenis, podobnie jak większości grających równocześnie Rosjanek, opiera się na silnych uderzeniach z głębi kortu (backhand oburęczny). Spośród swoich rywalek wyróżnia się dobrymi warunkami fizycznymi (prawie 180 cm).
Pierwszy raz do czołowej setki rankingu awansowała w 1999, dwa lata później była w pierwszej pięćdziesiątce. Po słabszym sezonie 2002 powróciła do szerokiej czołówki światowej i wkrótce znacznie poprawiła swoje miejsce, kończąc kolejne dwa lata (2003, 2004) na miejscach nr 12, blisko pozycji uprawniającej do startu w Masters. Dwukrotnie osiągnęła półfinałyturniejów wielkoszlemowych –French Open 2003 i2005, ponadto była ćwierćfinalistkąUS Open 2004,Wimbledonu 2005 iUS Open 2005. Jej najwyższa dotychczasowa pozycja w rankinguWTA to 3 w singlu (15 maja 2006)) i również 3 w deblu (21 marca 2005).
Jeszcze lepsze wyniki osiąga jako deblistka, wygrawszy 24 turnieje (w tym dwukrotnieMistrzostwa WTA); w marcu 2005 była klasyfikowana jako nr 3. rankingu deblistek.
Sezon 2006 rozpoczęła od półfinału w turnieju niższej kategorii wAuckland, tydzień później oddała walkowerem mecz ćwierćfinałowy wSydney przeciwkoJustine Henin-Hardenne. Nadia uległa rodaczce Szarapowej w ćwierćfinale Australian Open. Zwycięstwo turniejowe, po serii ćwierćfinałów i półfinałów, osiągnęła wDoha, pokonując w finaleAmélie Mauresmo. Francuzka zrewanżowała się w ćwierćfinale wMiami. Nadia rozpoczęła serię fantastycznych zwycięstw: wygrała turniej w Amelia Island, następnie wCharleston orazBerlinie, pokonując w finale Belgijkę Henin-Hardenne. Przełomowym momentem sezonu był turniej French Open, gdzie Rosjanka, zaliczana do ścisłych faworytek, odpadła w pierwszej rundzie zAkiko Morigami. Od tej pory aż doUS Open nie wygrała żadnego ze spotkań. Na nowojorskich kortach przegrała zTatianą Golovin w trzeciej rundzie. Zrewanżowała się jednak Francuzce, wygrywając z nią w finale w Stuttgarcie – to był z kolei punkt zwrotny, Pietrowa zdawała się wracać do optymalnej formy. Potwierdzają to jej kolejne wyniki – finały wMoskwie,Linzu oraz wygrana nad liderką rankingu Mauresmo w meczach grupowychWTA Tour Championships wMadrycie (Pietrowa przegrała jednak z Henin-Hardenne i Hingis i nie zdołała awansować do fazy pucharowej turnieju).
W paryskim turniejuOpen Gaz de France odniosła pierwsze turniejowe zwycięstwo w tym roku. W drodze do finału pokonała między innymiAmélie Mauresmo 5:7, 6:4, 7:6, mimo że w ostatnim secie przegrywała 1:4. W finale zwyciężyła CzeszkęLucie Šafářovą 4:6, 6:1, 6:4 i odniosła siódme zwycięstwo w turnieju WTA. Osiągnęła też półfinał deblowy ze Swietłaną Kuzniecową. W Antwerpii dotarła do ćwierćfinału. Wystąpiła wAmelia Island jako obrończyni tytułu, tam była najwyżej rozstawiona. W grze podwójnej z Lisą Raymond odpadła w ćwierćfinale. W maju wWarszawie odpadła w drugiej rundzie, przegrywając zWłoszkąMarą Santangelo. WLos Angeles dotarła do finału, gdzie pokonała jąAna Ivanović.
Rok 2008 rozpoczęła od osiągnięcia 1/8 finałuAustralian Open, gdzie przegrała z PolkąAgnieszką Radwańską 6:1, 5:7, 0:6 (mimo prowadzenia 6:1, 3:0). W kolejnych występach – wParyżu,Doha,Dubaju iMiami – przegrywała pierwsze mecze.
W 2012 roku wygrała w grze podwójnej turniej Premier Mandatory wMiami. W parze zMariją Kirilenko pokonały włoski duetSara Errani–Roberta Vinci 7:6(0), 4:6, 10-4[1]. W czerwcu zwyciężyła w turnieju International w's-Hertogenbosch. Razem z Mariją Kirilenko zdobyły brązowy medal igrzysk olimpijskich w konkurencjideblistek. W półfinale przegrały z siostrami Williams 5:7, 4:6, a w meczu o trzecie miejsce pokonałyLiezel Huber iLisę Raymond 4:6, 6:4, 6:1. W sierpniu osiągnęła finał imprezy wMontrealu, w którym uczestniczyła razem zKatariną Srebotnik. We wrześniu zwyciężyła w zawodach singlowych podczas turnieju rangi Premier 5 wTokio. W finale pokonałaAgnieszkę Radwańską 6:0, 1:6, 6:3. Razem z Kirilenko osiągnęła w październiku finał rozgrywek deblowych wMoskwie. W kończących sezonMistrzostwach WTA zdobyła razem z Kirilenko tytuł deblowy, pokonując w finaleAndreę Hlaváčkovą iLucie Hradecką 6:1, 6:4. Tydzień później zwyciężyła też w zawodach singlowych podczasWTA Tournament of Champions, kiedy to bez przegrania meczu pokonała w finaleCaroline Wozniacki wynikiem 6:2, 6:1.
Nadia Petrova
W styczniu 2013 roku razem ze Srebotnik osiągnęła triumf w turnieju wSydney, pokonując w finale Errani i Vinci wynikiem 6:3, 6:4. W lutym oba deble ponownie spotkały się w finale turnieju, tym razem wDosze, jednak Pietrowa z partnerką przegrały z Włoszkami wynikiem 6:2, 3:6, 6-10. W kolejnym tygodniu razem ze Srebotnik awansowały do finału zawodów gry podwójnej wDubaju, lecz w meczu mistrzowskim uległy parzeBethanie Mattek-Sands–Sania Mirza wynikiem 4:6, 6:2, 7-10. WIndian Wells osiągnęła razem ze Srebotnik finał, w którym uległyJekatierinie Makarowej iJelenie Wiesninie 0:6, 7:5, 6–10. WMiami debel ponownie osiągnął finał, w którym pokonałLisę Raymond iLaurę Robson 6:1, 7:6(2). Przez kontuzje w drugiej części sezonu i rezygnacja z turniejów w Azji, wypadła z pierwszej setki rankingu singlowego. Sezon zakończyła na 102. miejscu (najgorszym od dziesięciu sezonów).
Sezon 2014 rozpoczęła od porażki w eliminacjach do turnieju wParyżu. Następnie, jako kwalifikantka, odpadła w pierwszej rundzie turnieju wDosze, przegrywając 6:7(5), 5:7 zPeng Shuai. WDubaju grająca z dziką kartą Pietrowa uległa 3:6, 2:6Carli Suárez Navarro już w pierwszym meczu. Na początku marca wzięła udział w turniejach wIndian Wells iMiami. W pierwszym z nich oddała mecz zSilvią Soler Espinosą po kreczu przy stanie 1:1. W drugim najpierw wygrała zUrszulą Radwańską, a potem uległaSabine Lisicki 6:3, 4:6, 4:6. W grze deblowej, wraz zAnastasiją Pawluczenkową osiągnęła półfinał turnieju wDosze.
Ulubioną nawierzchnią Nadieżdy są korty twarde, ponieważ jest tenisistką grającą agresywnie. Lubi szybko kończyć piłki, nie przepada za dłuższymi wymianami.
W oświadczeniu wydanym na początku stycznia 2017 r. Petrova poinformowała o zakończeniu kariery zawodniczej. Powodem tego posunięcia jest trwająca od 2013 r. kontuzja biodra tenisistki. Petrova nie zamierza jednak całkowicie odstawić rakiety. Nadal będzie związana z tenisem poprzez pracę charytatywną.[2]
Oficjalna strona wtatennis.com podaje, że Nadieżda Pietrowa wygrała jeden turniej deblowy rangi ITF, lecz w historii wyników nie widnieje nawet żaden finał z jej udziałem.