В 1899 году Н.Н. Петров окончил Военно-медицинскую академию, в 1902 году защитил докторскую диссертацию «Экспериментальные данные о туберкулёзе суставов в связи с повреждением». Его работа была премирована двухлетней заграничной научной командировкой. В 1902–1904 гг. учёный работал в Париже в знаменитом Пастеровском институте в лаборатории И.И. Мечникова, совершенствовал свои знания в клиниках Германии, Швейцарии, Австрии и Франции, знакомился с постановкой хирургии Франции, Австрии, Германии. Н.Н. Петров в совершенстве владел греческим, латинским, французским, английским, итальянским языками, увлекался историей, философией, энциклопедией права, биологией, микробиологией, патологической анатомией, научными исследованиями. В 1905 году он был избран приват-доцентом хирургии Военно-медицинской академии.