Родился 13 декабря 1903 года в Одессе в семье учителя.
Писатель, сценарист, работал совместно с Ильёй Ильфом. Брат писателя Валентина Катаева, отец кинооператора Петра Катаева и композитора Ильи Катаева.
В 1920 году окончил классическую гимназию и стал корреспондентом Украинского телеграфного агентства. После этого в течение трёх лет служил инструктором уголовного розыска, сюжет из периода его борьбы с бандитизмом использован в повести, ставшей основой сценария фильма «Зелёный фургон»). В 1923 переехал в Москву и занялся журналистикой. В редакции газеты «Гудок» познакомился с Ильёй Ильфом и в содружестве с ним написал ряд фельетонов, знаменитые повести «Двенадцать стульев» и «Золотой теленок», сценарии. После смерти Ильфа у Петрова появился новый соавтор — Георгий Мунблит, вместе с которым написаны сценарии комедий «Беспокойный человек», «Антон Иванович сердится», «Музыкальная история». Самостоятельно написаны сценарии «Тиха украинская ночь» и «Воздушный извозчик». Работал над сценарием фильма «Цирк», где были использованы ранние сатирические рассказы (эпизод «говорящая собака-докладчик») и впечатления от путешествия по Америке, но в конце концов потребовал снять свою фамилию из титров.
Погиб 2 июля 1942 года — самолёт, на котором он возвращался в Москву из осаждённого Севастополя (обороне которого посвятил свои последние очерки), был сбит немецким истребителем над территорией Ростовской области. На месте падения самолёта установлен памятник.
