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.
Сценарист 1943 Воздушный извозчик 1941 Антон Иванович сердится 1940 Музыкальная история 1936 Цирк 1936 Однажды летом 1933 Черный барак 1930 Праздник святого Йоргена
