Григорий Семёнович Петров родился 26 октября 1886 года в Костроме в семье рабочего лесопильного завода.
В 1899 году поступил в Костромское химико-техническое училище в приготовительный класс.

Практическая деятельность относится к 1904 году, когда он получил диплом и поступил работать на мыловаренный завод А. И. Жукова в Петербурге. Трудовую жизнь на комбинате начал в центральной химической лаборатории. Уже с первых месяцев проявились те качества Петрова, которые в дальнейшем позволили ему стать всемирно известным изобретателем. На складах предприятия скопилось большое количество мыла, которое не привлекало внимания покупателей. Под руководством Петрова мыло было переварено. В него добавили яркий краситель, который не размешивали. В результате кусок мыла стал выглядеть пёстрым прямоугольником. Под названием «мраморное» мыло попало в магазины и моментально разошлось.

В 1908 годы он переехал в подмосковное село Кусково и поступил работать на нефтеперерабатывающий завод, принадлежавший американцам. Здесь за пять лет Петров сделал ряд изобретений, из которых наиболее ценным явилась разработка методов получения и применения нефтяных сульфокислот, известных в мировой технике под названием «Контакт Петрова» — самое дешевое средство для расщепления жиров в мыловарении и лучшее средство при белении и крашении суровых тканей, заменяющее мыло.

Открытие вдохновило 25-летнего техника и, продолжая работать над нефтяными дистиллятами, в 1911 году получил быстро твердеющую смолу, назвав её карболитом (название пошло от применяемой в производстве «карболки», как в просторечии именовали фенол). Так была получена первая русская пластмасса. Диэлектрические свойства, легкость и прочность, относительная дешевизна позволили карболиту быстро проникнуть в электротехнику. Еще до Первой мировой войны в Орехово — Зуеве был создан завод «Карболит», который действует и поныне.

Благодаря работам Петрова зарождается промышленность пластмасс сначала в России, а затем и в Америке, куда акционерное общество «Контакт» продало патенты Петрова, и в европейских странах.

После Октябрьской революции Григорий Семёнович отклонил предложение эмигрировать за границу. В 1918 году его пригласили работать в Главхим ВСНХ и назначили председателем комиссии по производству сульфокислот и членом правления завода «Карболит». В условиях гражданской войны Г. С. Петров продолжал работать в центре лаборатории ВСНХ, а также в институте им. Л.Я. Карпова. Здесь Петров заинтересовался проблемой окисления жидких углеводородов нефти с целью получения карбоновых и оксикарбоновых кислот.

О работах Петрова в те годы А.М. Горький рассказал Ленину и посетовал на ограниченные возможности в работе учёного. Владимир Ильич предложил внести имя Петрова в список учёных, которым разрешалась поездка за счет Советского государства за границу. С 1921 по 1928 год Григорий Семёнович Петров побывал в Германии, Швеции, Чехословакии, Польше, Франции, США.

В 1930-е годы Григорий Семёнович переключил свои научные интересы на промышленность пластических масс. Благодаря трудам Петрова и его учеников созданы сотни новых материалов.

В 1933 году Петров совместно с профессором Лосевым организовал кафедру технологии пластических масс в Московском химико-технологическом институте. В октябре 1934 г. Петров был утверждён в звании профессора этой кафедры. В 1935 году ВАК приняла решение о присвоении Григорию Семёновичу Петрову учёной степени доктора технических наук.

В годы Великой Отечественной войны за достижения в создании новых видов пластмасс Григорию Семеновичу была присуждена Сталинская премия.

В 1949 ему вторично была присуждена Сталинская премия за создание клея «БФ», которым можно склеивать металл с деревом, мех с металлом или тканью, дерево с пластмассой.

Григорий Семёнович Петров умер 29 октября 1957 года в Москве.

С 1982 года Научно-исследовательский институт пластических масс в Москве носит имя Григория Семеновича Петрова.
В 1986 году состоялось открытие памятной доски на здании Костромского химико-механического техникума им. Л. Б. Красина (ныне Костромской энергетический техникум им. Ф. В. Чижова), посвященной Григорию Семёновичу Петрову.