Поэтическими переводами Петровых занялась по совету Г. А. Шенгели. С 1934 систематически выступала как поэт-переводчик: с литовского (С.Нерис, Т.Тильвитис), еврейского (П.Маркиш, С.Галкин), польского (Ю.Тувим). Особенно тесными стали в дальнейшем литературной связи Петровых с Арменией. Она впервые побывала там вместе с В.Звягинцевой в 1944. Образ Армении, благодарная память об этой земле постоянно возникали в стихах Петровых («Моя далекая, желанная, / Моя земля обетованная! / ...О край далекий, край возлюбленный, / Мой краткий сон, мой долгий вздох», 1966). Петровых переводила стихи А.Исаакяна, В.Терьяна, Н.Зарьяна, М.Маркарян, Г.Эмина, С.Капутикян и др. В 1946 портрет Петровых написал М.Сарьян. В Ереване вышла единственная прижизненная книга оригинальных стихов Петровых «Дальнее дерево» (1968, с предисл. Л.Мкртчяна), включающая также и переводы из армянской поэзии. В книгу вошла поэма Петровых о демоне «Кара-дат» (1930), стихи военных лет, в т.ч. написанные в эвакуации, в Чистополе: «Проснемся, уснем ли — война, война...» (1942).
Литературная и личная судьба Петровых складывалась драматично.
В 1937 был арестован ее муж В. Д. Головачёв (умер в лагере в 1942). Петровых осталась одна с маленькой дочкой на руках, испытала тяготы эвакуации, трудности послевоенной жизни в Москве, хроническое безденежье. Рукопись первого сборника стихов Петровых, представленная в 1940-е в издательство «Советский писатель», была отвергнута по причине пессимизма, «несозвучности эпохе» (так говорилось во внутренней рецензии). Однако характер Петровых был таков, что «отчаянье без края, без конца» придавало ей силы жить, писать. «Ты, Мария, — гибнущим подмога!» — писал О.Мандельштам в стих. «Мастерица виноватых взоров...» (1934), посвященном Петровых.
Человек исключительной скромности, повышенной требовательности к себе, обращавшаяся к поэтам — «Умейте домолчаться до стихов», Петровых печаталась крайне редко. За полувековой путь в поэзии Петровых написала немногим более 150 стих. Она писала стихи только в минуты сильных душевных волнений, именно тогда могла преодолеть «смертный страх перед бумагой белой» («Страшно тебе довериться, слово, / Страшно, а должно. / Будь слишком старо, будь слишком ново, / Только не ложно», 1969). Лирику Петровых, в которой нет «ни ахматовской кротости, ни цветаевской ярости» (1967), отличает страстная, исповедальная искренность, внутреннее напряжение и строгая огранка стиха. Повод для лирического высказывания в стихах Петровых — чувство, граничащее с потрясением: осознание внезапной утраты («Мы рядом сидим. Я лицо дорогое целую...», 1956), пронзительное чувство материнства («Когда на небо синее...», 1940), красота внезапно открывшегося глазам пейзажа («Осень сорок четвертого года...», 1968). Стихотворение «Назначь мне свиданье на этом свете...», впервые опубликованное в «Дне поэзии» (М., 1956), А.Ахматова называла шедевром лирики.
В исполненной драматизма поэзии Петровых открывается характер сильный и нежный («слава после смерти лишь сильным суждено»). Называвшая себя «нелепым, нескладным, оцепеневшим человеком» (из письма Д.Самойлову), Петровых дарила дружбу, душевное расположение многим, вокруг нее группировались молодые литераторы — участники переводческого семинара при Союзе писателей; в ее облике друзья отмечали «усталость, одухотворенность и тайну» (Самойлов Д. Памятные записки. М., 1995. С.311).
Лучшее из написанного Петровых за многие годы вошло в книгу «Предназначенье» (1983, с предисл. А.Тарковского). В 1991 книга стихов и переводов Петровых под названием «Костер в ночи» впервые издана на родине Петровых — в Ярославле.