1940年12月，瘦得只剩一把骨頭的彼得羅夫斯基被派到明斯克，出任第63步兵軍軍長，擔負西部邊境“斯大林防線”的值勤任務。
1941年6月22日，希特勒不宣而戰，德軍迅速突破“斯大林防線”，沿三個戰略方向推進。7月初，德國中央集團軍群的裝甲部隊成功強渡第聶伯河，直接威脅軍工重鎮斯摩稜斯克。通過仔細分析戰況，彼得羅夫斯基敏銳地捕捉到德軍的“軟肋”——儘管敵人的坦克突擊速度很快，但步兵卻沒有跟上。
為了遲滯德軍進攻速度，彼得羅夫斯基主動請求率第63步兵軍渡過第聶伯河，逆襲西岸德軍步兵。7月14日，第63步兵軍趁夜渡河，相繼解放了羅加喬夫和日洛賓兩座城市，楔入敵人戰線30公里，並繼續向西進攻，這在當時蘇軍全面潰退的形勢下是非常不錯的反擊，因此蘇軍統帥部十分欣賞這次行動。當斯大林得知彼得羅夫斯基還只是一個上校時，下令將他提拔為中將。
第63步兵軍的反擊讓德軍十分為難。德軍中央集團軍群司令包克向希特勒表示必須增援，否則無法進行下一步進攻，希特勒從其他戰略方向抽調3個步兵師加強給包克，第63步兵軍的處境變得十分兇險。
親率後衛突圍
8月11日清晨，重新完成集結的德軍在坦克和飛機的支援下，全線向第63步兵軍發起反撲。8月13日夜，一名蘇軍聯絡官乘飛機來到第63步兵軍駐地，他帶來了鐵木辛哥的命令，要求彼得羅夫斯基乘這架飛機返回斯摩稜斯克，就任第21集團軍司令。但彼得羅夫斯基認為在此緊要關頭，將指揮權轉交他人會給戰士們帶來嚴重的負面影響。最終，他只讓飛機帶走了重傷員。
8月14日，德軍完成了對第63步兵軍的包圍。彼得羅夫斯基向全軍發出向第聶伯河東岸撤退的命令。但形勢仍在快速惡化，德軍依靠優勢兵力和坦克，搶先佔領了各個渡口。8月14日夜，第63軍和友軍的聯繫徹底中斷，對彼得羅夫斯基來說，他只能帶領部隊孤軍奮戰了。
8月16日，彼得羅夫斯基在森林中下達夜襲突圍任務，他向下級主官強調：“所有指揮人員，不管是什麼軍銜和職位，在夜間攻擊行動中，都要在最前面帶頭衝鋒……”彼得羅夫斯基還表示，自己將加入第154師的突圍戰鬥。
8月17日3時整，第63步兵軍在打光炮彈後，全體輕裝突圍。由於進攻出乎敵人預料，該軍大部輕鬆突破敵人的第一道封鎖線，並快速向河岸移動。隨第一梯隊行動的彼得羅夫斯基把隊伍帶到河岸後，決定重新返回格盧得茨，他要親自帶領後衛部隊一起過河。
然而，勇敢的軍長和後衛部隊不幸陷入重圍。後來殺出重圍的軍炮兵主任費多爾·卡扎科夫回憶了軍長的最後時刻：“軍長帶領大家向河岸推進，他不時拎起因害怕敵人掃射而倒地的戰士，高喊：‘同志們，如果向每一顆子彈低頭，我們的脖子會酸掉的，來！和我一起衝鋒！’……最後，軍長被隱藏在灌木叢中的衝鋒槍手打中頭部，很可惜我們沒能把軍長的遺體搶出來。”
直到1944年蘇聯紅軍反攻到第聶伯河西岸時，在當地人的指引下，才發現了彼得羅夫斯基的墳墓。原來，德軍發現了這位英勇犧牲的軍長，遂為其修了一座簡樸的墓穴。戰後，蘇聯政府為彼得羅夫斯基樹立了紀念碑，追授一級偉大衛國戰爭勳章和紅星勳章。
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