Любовь Петрова окончила Московскую государственную консерваторию имени П. И. Чайковского (1998, класс Галины Писаренко). В годы учебы завоевала первые премии на международных конкурсах молодых певцов в Екатеринбурге (1993), имени Н. А. Римского-Корсакова (1998, I премия и Гран-при) и Елены Образцовой (1999, I премия) в Санкт-Петербурге. Совершенствовалась на мастер-классах Ренаты Скотто, Ленор Розенберг, Режин Креспен, Бениты Валенте, Дайаны Совьеро, Кена Ноды и других известных музыкантов.
Будучи студенткой второго курса, стала солисткой Московского театра «Новая опера», где выступала в 1995–2000 гг., исполняя ведущие партии в операх «Травиата» Верди, «Руслан и Людмила» Глинки, «Царская невеста» и «Снегурочка» Римского-Корсакова и другие.
В течение трех была участницей молодежной программы театра Метрополитен-опера в Нью-Йорке, на сцене которого с успехом дебютировала в 2001 году в партии Цербинетты на премьере оперы «Ариадна на Наксосе» Р. Штрауса, заменив Натали Дессей. Позднее в знаменитом театре певица исполняла партии Софи («Кавалер розы» Р. Штрауса), Памины, Блонды и Сюзанны («Волшебная флейта», «Похищение из сераля» и «Свадьба Фигаро» Моцарта), Эльвиры («Итальянка в Алжире» Россини), Норины («Дон Паскуале» Доницетти), Софи («Вертер» Массне), Наннетты и Оскара («Фальстаф» и «Бал-маскарад» Верди), Воглинды («Золото Рейна» Вагнера), Адели («Летучая мышь» И. Штрауса) и Ксении («Борис Годунов» Мусоргского).
С певицей сотрудничают многие ведущие театры Европы и США: Массимо в Палермо, Сан-Карло в Неаполе, Колон в Буэнос-Айресе, Опера Бастий в Париже, Нидерландская опера, Королевский театр в Мадриде, Вашингтонская национальная опера, театры Далласа, Лос-Анджелеса, Питтсбурга, Атланты, Палм-Бич, Хьюстона, Оттавы, Израильская опера, Дворец искусств королевы Софии в Валенсии. Она выступала на Глайндборнском фестивале и фестивале BBC Proms (Великобритания), фестивалях в Сполето, «Глиммергласс» (США), имени Беллини в Катании и имени Перголези в Ези (Италия).
Исполняла главные партии в операх «Свадьба Фигаро» (Сюзанна), «Волшебная флейта» (Памина) и «Так поступают все женщины» (Деспина) Моцарта, «Манон» Массне и «Лакме» Делиба (заглавные партии), «Ромео и Джульетта» Гуно (Джульетта), «Риголетто» и «Бал-маскарад» Верди (Джильда и Оскар), «Лючия ди Ламмермур» Доницетти (заглавная партия), «Пуритане», «Норма» и «Монтекки и Капулети» Беллини (Эльвира, Адальжиза и Джульетта), «Сказки Гофмана» Оффенбаха (Олимпия, Джульетта, Антония), «Ариадна на Наксосе» Р. Штрауса (Цербинетта), «Летучая мышь» И. Штрауса (Адель), «Роланд-паладин» Гайдна (Анджелика), «Юлий Цезарь» и «Орландо» Генделя (Клеопатра и Анджелика), «Коронация Поппеи» Монтеверди (Богиня Добродетели и Афина Паллада), «Древо Дианы» Мартина-и-Солера (Диана), «Поворот винта» Бриттена (Гувернантка), «Евгений Онегин» Чайковского (Татьяна), «Обручение в монастыре» Прокофьева (Луиза) и многих других. В 2012 году певица дебютировала в Большом театре России в партии Софи в опере «Кавалер розы».
Ведет активную концертную деятельность, сотрудничает с известными российскими и зарубежными коллективами. В ее обширном концертном репертуаре кантатно-ораториальные сочинения Баха, Генделя, Перголези, Гайдна, Моцарта, Брамса, Дворжака, романсы и вокальные циклы Чайковского, Рахманинова, Мусоргского, Римского-Корсакова, Шостаковича, Метнера, Вольфа, Р. Штрауса, Бриттена и другие сочинения.
Певица участвовала в исполнении поэмы «Колокола» Рахманинова и Реквиема Вячеслава Артёмова с Российским национальным оркестром, с Большим симфоническим оркестром имени П. И. Чайковского под управлением Владимира Федосеева выступала в Театре ан дер Вин в Вене. Принимала участие в исполнении Магнификата Баха и «Нельсон-мессы» Гайдна под управлением Хельмута Риллинга (с оркестром Московской консерватории). С Госоркестром России имени Е. Ф. Светланова под управлением Владимира Юровского участвовала в премьерах «Предварительного действа» Скрябина – Немтина в Московском международном Доме музыки (2015) и оперы «Король Лир» Слонимского (партия Корделии) в Концертном зале имени П. И. Чайковского (2016). В 2016 году выступала в концертной версии оперы «Семён Котко» Прокофьева в амстердамском зале Консертгебау с Филармоническим оркестром и хором Нидерландского радио (дирижер Владимир Юровский). Участвовала в концерте Пласидо Доминго на Красной Площади в Москве.
Сотрудничала с дирижерами Джеймсом Левайном, Джеймсом Конлоном, Дональдом Ранниклсом, Филиппом Жорданом, Марком Минковски, Мишелем Плассоном, Марко Замбелли и другими. В 2006 году исполнила роль Царицы ночи в фильме «Волшебная флейта» Кеннета Браны.
Среди недавних ангажементов певицы – «Свадьба Фигаро» (Графиня) в Большой опере Флориды, дебют в партии Фрейи («Золото Рейна» Вагнера) с Лондонским филармоническим оркестром и Симфоническим оркестром Оденсе, «Царская невеста» Римского-Корсакова (Марфа) на фестивале Bard Music Festival в Нью-Йорке, а также выступления с концертным репертуаром на фестивалях Music@Menlo и Ла-Холья в Калифорнии.