Анатолий Петров родился  15 февраля 1956 года. В 1980 году окончил Астраханский государственный медицинский институт имени А.В. Луначарского. Позднее, Анатолий Ильич получил дополнительное образование в Поволжской академии государственной службы, которую успешно окончил в 2000 году. 

Работал Главным врачом ГБУЗ «Тамбовская областная детская клиническая больница», после избирался депутатом Тамбовской областной Думы на непостоянной основе.

На выборах 18 сентября 2016 года Петров Анатолий Ильич был избран Депутатом Государственной Думы VII созыва в составе федерального списка кандидатов, выдвинутого Всероссийской политической партией «Единая Россия». Член фракции «Единая Россия». Член комитета ГД по охране здоровья. Дата начала полномочий - 5 октября 2016 года.