Окончила Московскую государственную консерваторию им. П.И. Чайковского (класс профессора Г.А. Писаренко). Стажировалась в театре Метрополитен-опера в молодёжной программе Lindemann.
Приглашённая солистка Большого театра России и Метрополитен-опера.
Дебютировала в Метрополитен-опере в 2001 году в партии Цербинетты («Ариадна на Наксосе» Р. Штрауса). В общей сложности на этой прославленной сцене Любовь Петрова спела более 60-ти спектаклей, выступив в таких партиях, как Софи («Кавалер розы» Р. Штрауса), Памина («Волшебная флейта» В.-А. Моцарта), Сюзанна («Свадьба Фигаро» В.-А. Моцарта), Норина («Дон Паскуале» Г. Доницетти), Софи («Вертер» Ж. Массне), Наннетта («Фальстаф» Дж. Верди), Оскар («Бал-маскарад» Дж. Верди), Адель («Летучая мышь» И. Штрауса), Блондхен («Похищение из сераля» В.-А. Моцарта), Ксения («Борис Годунов» М. Мусоргского), Воглинда («Кольцо нибелунга» Р. Вагнера). На фестивале Spoleto (США) исполнила заглавную партию в опере «Лакме» Л. Делиба, Деспину в опере «Так поступают все» В.-А. Моцарта и Цербинетту в «Ариадне на Наксосе» Р. Штрауса.
Выступала на сценах театров мира: Массимо (Палермо), в Вашингтонской национальной опере, Парижской национальной опере, в Гранд-опера, Королевском театре в Мадриде, оперных театрах Вашингтона, Лос-Анджелеса, Питтсбурга, Атланты, Палм-Бич, Далласа, Хьюстона, Флориды и многих других.
Исполнила роль Царицы ночи в фильме Кеннета Браны «Волшебная флейта» (2006).
В 2012 году дебютировала в Большом театре в партии Софи («Кавалер розы» Р. Штрауса). В 2016 году состоялась премьера оперы С. Слонимского «Король Лир» в Концертном зале им. П.И. Чайковского, где Любовь Петрова исполнила партию Корделии в сопровождении оркестра им. Светланова под управлением Владимира Юровского.
Любовь Петрова принимала участие в гала-концерте «Музыка — образ будущего» в рамках 19-го Всемирного Фестиваля молодёжи и студентов в г. Сочи, также выступила в роли Микаэлы в опере Бизе «Кармен» в Концертном зале «Зарядье» в рамках юбилейных мероприятий к 80-летию Елены Образцовой. В начале сентября 2019 года состоялась российская премьера «Кантаты Memoria» Карла Дженкинса в Концертном зале им. П.И. Чайковского.
Исполнила партию Татьяны в специальной версии Г. Н. Каретникова оперы П.И. Чайковского «Евгений Онегин» — «Татьяна» (дирижёр — Константин Чудовский). Совместно с Государственным академическим симфоническим оркестром России им. Е.Ф. Светланова и Академическим Большим хором «Мастера хорового пения» исполнила «Глорию» Ф. Пуленка на сцене Большого зала МКЗ «Зарядье».
Любовь Петрова ведёт активную концертную деятельность и сотрудничает с известными российскими и зарубежными коллективами. В сопровождении Российского национального оркестра исполнила партию сопрано в поэме С. Рахманинова «Колокола» и в Реквиеме В. Артёмова. Выступила в театре «Ан дер Вин» в Вене с Большим симфоническим оркестром им. П.И. Чайковского под управлением Владимира Федосеева. Принимала участие в исполнении «Магнификата» И.С. Баха и «Нельсон-мессы» Й. Гайдна под управлением Хельмута Риллинга.
Также в истории выступлений певицы исполнение произведения А. Скрябина «Предварительное действо» с маэстро Владимиром Юровским и оркестром им. Светланова. Немецкий реквием Брамса с Гонконгским филармоническим оркестром под руководством дирижёра Яп ван Зведена.
Любовь Петрова — педагог по вокалу и постоянная участница концертов фестиваля «Белый Пароход».
