Анатолий Петров родился 30 июля 1958 года в Ленинграде. Окончил Российский государственный институт сценических искусств в 1981 году (мастерская Р. С. Агамирзяна). Играл в Молодёжном театре на Фонтанке и театре «Балтийский дом». С 1995 года — артист Большого драматического театра в Санкт-Петербурге.
В феврале 2009 года награждён медалью Пушкина. В 2015 году стал лауреатом специального приза премии «Золотая маска» в составе актёрского ансамбля спектакля «Пьяные» БДТ.
Профессионально занимается дубляжом и озвучиванием.