Zdobyła międzynarodowe uznanie w 2016 roku, kiedy zdobyła I nagrodę na konkursie Carla Nielsena w Danii, któremu przewodniczył Nikolaj Szeps-Znaider. Dwa lata później nagrała pierwszy album z koncertami Nielsena i Prokofiewa wraz z Orkiestrą Filharmonii w Odense i estońską dyrygentką Kristiiną Poską dla Orchid Classics. Ten pierwszy krążek został entuzjastycznie przyjęty przez krytykę: londyński Sunday Times podziwiał jej „wspaniałe brzmienie – dojrzałe i srebrzyste, frazowanie z majestatyczną szerokością”, podczas gdy Gramophone chwalił jej „wyjątkową różnorodność tonalną” w „cudownej płycie”. The Strad był pod wrażeniem jej „naturalnej wirtuozerii”, podczas gdy magazyn Classical Music uznał jej interpretację koncertu Nielsena za „zdumiewająco dobrą” i „intensywnie liryczną”.
Jako solistka Petrova występowała z takimi orkiestrami jak Orchestre de Paris, Orchestre Philharmonique de RadioFrance, Orchestre Philharmonique du Luxembourg, Antwerp Symphony, Dutch Radio Philharmonic Orchestra, Symfonieorkest Vlaanderen, Staatskapelle Weimar, Orchestre Philharmonique de Monte-Carlo, Bruksela Philharmonic, Norddeutsche Philharmonie, Kansai Philharmonic, Orchestre National de Lyon, Orchestre National de Bordeaux, Orchestre National des Pays de Loire, Sinfonia Varsovia, Odense Symphony Orchestra, pod batutą czołowych dyrygentów, jak chociazby Stanislas Kochanovsky, Duncan Ward, Philippe Herreweghe, Krzysztof Penderecki, Nikolaj Szeps-Znaider, Marzena Diakun, Alexander Liebreich, Mihhail Gerts, Kristiina Poska, Yan Tortelier, Xian Zhang, Ariane Matiakh, Robert o Minasi, Christopher Warren-Green, Michel Tabachnik czy Jesús López Cobos.
Regularnie wykonuje muzykę kameralną z francuskim laureatem I nagrody konkursu Czajkowskiego, Alexandrem Kantorowem, i występuje z wieloma wspaniałymi muzykami, takimi jak Beatrice Rana, Emmanuel Pahud, Pablo Ferrandez, Martha Argerich, Yuri Bashmet, Mischa Maisky, Renaud Capuçon, Augustin Dumay, James Ehnes, Nicholas Angelich, Frank Braley, Yuja Wang, Antoine Tamestit, Bruno Philippe, Aurélien Pascal i Gautier Capuçon.
Petrova jest stałym gościem festiwali muzyki kameralnej, takich jak Mecklenburg-Vorpommern Festspiele, Rheingau Festival, Ludwigsburger Schlossfestspiele, Aix-en-Provence Easter Festival, La Folle Journée, La Roque d’Anthéron International Festival oraz Rencontres Musicales d’Evian.
W styczniu 2020 roku Liya wydała pierwszą płytę w wytwórni Mirare – album z recitalami Beethovena-Barbera-Brittena z pianistą Borisem Kusnezowem. Druga płyta zawierająca koncert skrzypcowy Beethovena i rzadko wykonywany koncert K 271 Mozarta, znany jako Koncert nr 7, z Jean-Jacques'em Kantorowem i Sinfonią Varsovią została wydana w 2021 roku.
Wszystkie albumy artystki otrzymały jednomyślne pochwały krytyków na całym świecie. Liya Petrova urodziła się w Bułgarii w rodzinie muzyków i studiowała u Augustina Dumaya w brukselskiej Chapelle Musicale Reine Elisabeth, Antje Weithaas w Hochschule für Musik Hans Eisler Berlin i Renauda Capuçona w Haute Ecole de Musique w Lozannie.