Надежда Петрова родилась в спортивной семье, отец Виктор был метателем молота, а мать, Надежда Ильина, бронзовой призёркой Олимпийских игр 1976 в Монреале в эстафете 4х400м. Провела часть детства в Египте, где родители работали тренерами по атлетике. В 1998 году Надежда выиграла юниорский «Ролан Гаррос» и вышла в финал турнира «Orange Bowl», где проиграла Елене Дементьевой. В 1999 году стала профессионалом, дебютировала на «Australian Open» и «Уимблдоне», поднялась в Топ-100 рейтинга WTA.

В 2000 году играла в основной сетке всех четырех турниров «Большого шлема», вышла в четвертьфинал Майами. В 2001 дошла до четвертого раунда на «Уимблдоне» и «Ролан Гаррос», вышла в полуфинал турнира в Амелия Айленде. Сезона закончила в Топ-50.

В сезоне-2002 Петрова получила тяжелейшую травму левой ноги. Вернулась на корт только через полгода – в августе, вышла в четвертьфинал «Кубка Кремля», но по итогам сезона опустилась за пределы Топ-100.

В 2003 Петрова вышла в полуфинал «Ролан Гаррос», играла в своем первом финале WTA в Линце. Также вышла еще в три полуфинала: в Хертогенбоше, Цюрихе и Филадельфии. Год закончила уже на 12 строчке рейтинга.

В 2004 году вышла в финал турнира в Голд-Косте и пять полуфиналов, в том числе и на турнире в Майами. На «US Open» добралась до четвертьфинала, обыграв по пути первую ракетку мира Жюстин Энен.

В 2005 году Надежда особенно успешно выступала на турнирах «Большого шлема». Вышла в полуфинал «Ролан Гаррос» и четвертьфиналы «Уимблдона» и «US Open». В конце сезона завоевала первый титул в Линце, дебютировала на итоговом «Tour Championships», год закончила девятой ракеткой мира.

2006 год был очень урожайным на титулы для Надежды. Петрова выиграла пять турниров — в Дохе, Амелия Айленде, Штутгарте, а также два турнира первой категории в Чарльстоне и Берлине, в последнем обыграла в финале первую ракетку мира Жюстин Энен. На «Australian Open» Надежда вышла в четвертьфинал, играла в финалах «Кубка Кремля» и Линца. Поднялась на 6 строчку в рейтинге.

В 2007 впервые с 2003 года Петрова не прошла дальше четвертого раунда ни на одном турнире «Большого шлема». Играла в трех финалах, выиграла турнир в Париж. Также вышла в четвертьфиналы трех турниров первой категории. В ходе сезона несколько раз получала травмы. По итогам года опустилась на 14 позицию в рейтинге.

Начало 2008 года получилось для Петровой неудачным. Она участвовала в пяти турнирах и четыре покинула после первого круга. На «Australian Open» в четвертом круге проиграла Агнешке Радванской.

Дебютировала за сборную в 2001 году. В том же году в финале против сборной Бельгии наряду с Еленой Дементьевой проиграла одиночную встречу. В 2007 году в составе сборной стала обладательницей Кубка Федерации.

В 1998 году выиграла юниорский «Ролан Гаррос», обладательница «Кубка Федерации», выиграла 12 турниров в паре.