Od 28 listopada 1918 roku do marca 1938 roku (z krótkimi przerwami) pełnił funkcję przewodniczącego Wszechukraińskiego Komitetu Wykonawczego Ukraińskiej Socjalistycznej Republiki Radzieckiej. Ze strony USRR podpisał w 1922 roku umowę o powołaniu Związku Socjalistycznych Republik Radzieckich po czym został członkiem prezydium Centralnego Komitetu Wykonawczego ZSRR. Po wejściu w życie konstytucji ZSRR z 1936 roku został w 1937 roku deputowanym do Rady Najwyższej ZSRR, z kolei 17 stycznia 1938 roku został wiceprzewodniczącym Prezydium Rady Najwyższej ZSRR, którym był do 31 maja 1939 roku.
W okresie „wielkiego terroru” Petrowski uniknął aresztowania, jednak u jego schyłku, na początku 1939 roku został skrytykowany za „pobłażliwość wobec wrogów ludu”, których „zdemaskowało” NKWD na najwyższych szczeblach władzy USRR. Na XVIII zjeździe WKP(b) 10 marca 1939 roku nie został wybrany do Komitetu Centralnego WKP(b), w konsekwencji utracił wszystkie funkcje partyjne. Przez ponad półtora roku pozostawał bez pracy, aż w 1940 roku Fiodor Samojłow, dyrektor Muzeum Rewolucji, podobnie jak Petrowski bolszewicki deputowany do IV Dumy Państwowej Imperium Rosyjskiego, zatrudnił go jako swego zastępcę do spraw gospodarczo-administracyjnych i naukowych.