В 1920 году окончил пятую одесскую классическую гимназию. Работал корреспондентом Украинского телеграфного агентства, потом инспектором уголовного розыска в Одессе.

В 1923 году переехал в Москву, где продолжил образование и занялся журналистикой.

В 1924 году в сатирическом журнале «Красный перец» появились первые фельетоны и рассказы под псевдонимом Петров, также под именем гоголевского «Иностранца Федорова». Использовал сатирик и другие псевдонимы. Он не хотел, чтобы появился еще один писатель с фамилией Катаев.

До начала сотрудничества с Ильей Ильфом Евгений Петров опубликовал более полусотни юмористических и сатирических рассказов в различных периодических изданиях и выпустил три самостоятельных сборника.

В 1926 году, работая в газете «Гудок», Евгений Петров познакомился с Ильей Ильфом. Началась их совместная работа: обрабатывались материалы для газеты «Гудок», сочинялись темы для рисунков и фельетонов в журнале «Смехач».

Летом 1927 года Ильф и Петров совершили поездку в Крым и на Кавказ, посетили Одессу. Они вели совместный дневник путешествия. Позднее некоторые впечатления от этой поездки вошли в роман «Двенадцать стульев», который был опубликован в 1928 году в ежемесячном литературном журнале «30 дней». Роман имел большой успех у читателей, но был довольно холодно встречен литературными критиками. Еще до первой публикации цензура сильно сократила его. Вскоре роман стали переводить на многие европейские языки, и он был издан во многих странах Европы.

Следующим их романом стал «Золотой теленок» (1931). Изначально он печатался частями в ежемесячнике «30 дней».

В сентябре 1931 года Илья Ильф и Евгений Петров были командированы на учения Красной армии в белорусском военном округе, по материалам поездки в журнале «30 дней» был опубликован очерк «Трудная тема».

С 1932 года Ильф и Петров начали печататься в газете «Правда».

В 1935–1936 годах писатели совершили путешествие по США, результатом которого стала книга «Одноэтажная Америка» (1937).

В соавторстве с Ильей Ильфом были написаны новеллы «Необыкновенные истории из жизни города Колоколамска» (1928—1929), фантастическая повесть «Светлая личность» (1928), новеллы «1001 день, или Новая Шахерезада» (1929) и др.

Смерть Ильфа в 1937 году прервала творческое сотрудничество писателей.

Главный редактор журнала «Огонёк» c 1938 года. После смерти Ильфа работал самостоятельно или в соавторстве с писателем Георгием Мунблитом над киносценариями и фельетонами.

В 1941 году Петров стал военным корреспондентом «Правды» и Совинформбюро. Часто и подолгу он бывал на фронте. 2 июля 1942 года Евгений Петров погиб, возвращаясь самолетом из осажденного Севастополя в Москву. Писатель был похоронен в Ростовской области в селе Маньково-Калитвенская.

Произведения Ильфа и Петрова были переведены на десятки языков мира, выдержали большое количество переизданий, неоднократно экранизировались и инсценировались.