С 1945 года учёный участвовал в советском атомном проекте, сотрудничал с Игорем Курчатовым, Юлием Харитоном, Георгием Флёровым. Под его руководством разрабатывались системы радиационной безопасности, методы фильтрации и защиты дыхания. Материалы Петрянова применялись во всех объектах атомной промышленности СССР, в том числе на подводных лодках.