W 1963 Petrosjan odniósł swój największy sukces pokonując Botwinnika w meczu o mistrzostwo świata. Zwycięstwo było raczej przekonujące, Petrosjan wygrał pięć partii, przegrywając tylko dwie. Jako mistrz świata Petrosjan nie cieszył się jednak wielkim szacunkiem, od chwili zdobycia tytułu jego i tak defensywny styl gry stał się jeszcze bardziej zachowawczy. W siedmiu najsilniejszych turniejach międzynarodowych tylko dwukrotnie zajmował dzielone pierwsze miejsce. Niemniej w 1966 roku obronił tytuł po ciężkim boju z Borisem Spasskim. Do następnego meczu Spasski przygotował się jednak bardzo starannie i w roku 1969 odebrał Petrosjanowi tytuł, pokonując go w jego własnym stylu.

Po utracie tytułu Petrosjan pozostał aktywnym szachistą, utrzymując się w światowej czołówce aż do śmierci. Grając nieco mniej zachowawczo niż dotychczas odniósł wiele znaczących sukcesów.