После демобилизации Шраер-Петров поступил в аспирантуру (1962–1964) при ленинградском Институте туберкулеза.

Его исследования по смешанным инфекциям обнаружили отягощение клинического и экспериментального туберкулеза золотистыми стафилококками, которых он впоследствии метафорически назвал «Рыжими Дьяволами».

В 1964 году, через два года после женитьбы на филологе и переводчице Эмилии Поляк (Шраер), Шраер-Петров переехал в Москву, где в 1967 году родился его сын, Максим Д. Шраер.

Московский период научной жизни начался с Детской клинической больницы имени Филатова, где в 1965 году Шраер-Петров возглавил лабораторное отделение. Именно здесь совместно с врачами больницы он разработал комбинированный метод лечения стафилококковых остеомиелитов у детей комбинациями противостафилококковой вакцины (стафилококковый анатоксин) и антибиотиков. Одновременно были начаты исследования культур золотистого стафилококка, продуцирующих фермент, разрушающий пенициллин — пенициллиназу.

Именно эти исследования привели Шраера-Петрова в московский Институт эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалея, где с 1967 по 1978 год он проработал научным сотрудником. Многолетние исследования биохимии и молекулярной биологии золотистых стафилококков привели его к открытию способности целого ряда органических соединений подавлять продукцию и активность пенициллиназы, и в комбинации с пенициллинами активно воздействовать на развитие экспериментальной стафилококковой инфекции. В 1989 году, уже в США, на английском языке вышла в свет его монография «Стафилококковые заболевания в Советском Союзе».

Начиная с самых ранних стихов, ставших известными в самиздате с 1950-х-1960-х годов, Шраер-Петров исследовал природу еврейского самосознания, антисемитизма и отношений между евреями и русскими в условиях советского тоталитарного режима. Хотя ему и удалось выпустить книгу стихов («Холсты»; М., 1967, с предисловием Льва Озерова) и две тоненьких книги эссе в 1970-е годы, большая часть его собственных стихов и прозы не была допущена к публикации. Причиной тому было не только еврейское происхождение писателя, но и открытое обращение Шраера-Петрова к табуированным в советское время еврейским вопросам. Предпринятые Шраером-Петровым попытки обращения к официально-выигрышным темам (космонавтика, армия, Байкало-Амурская Магистраль) — в стихах, эссе и песенных текстах — не завоевали доверия режима к их автору. Несмотря на рекомендации выдающихся писателей, среди которых был Виктор Шкловский, Шраер-Петров был принят в Союз Писателей лишь в 1976 году после длительной борьбы. Вторая книга стихов Шраера-Петрова, «Зимний корабль», застряла в издательстве «Советский писатель» и в конце концов в 1979 году была уничтожена на стадии верстки. В 1975–1976 годах, чувствуя нарастающий конфликт с официальной советской культурой, Шраер-Петров выразил в стихах раздвоенность и дисгармонию своего еврейско-русского «я». Среди стихов этого периода «Автопортрет Шагала с женой», «Моя славянская душа», «Раннее утро в Москве», которые ходили в списках и были впервые опубликованы в сборнике поэта «Песня о голубом слоне» (Холиок, Масс., 1990), изданном уже в эмиграции. К концу 1970 годов судьба евреев России и противоречия, раздирающие на части русских по культуре евреев-писателей, стали основным предметом творческого воображения Шраера-Петрова. В 1978 году, после прочтения стихотворения «Моя славянская душа» («Моя славянская душа в еврейской упаковке…») на заключительной церемонии Весеннего Фестиваля Поэзии в Вильнюсе, на Шраера-Петрова обрушились официальные репрессии, ускорившие его решение об эмиграции.

В январе 1979 года Шраер-Петров с семьей подал заявление на выезд из СССР. К тому времени он был уволен из института имени Гамалея, а в 1980 году — исключен из Союза писателей. Набор трех его книг, одна из которых (повесть о микробиологе) уже была сверстана и снабжена иллюстрациями, был рассыпан. Шраер-Петров, его жена и сын стали отказниками. Он был лишен возможности публиковаться и заниматься наукой на родине. В 1979–1980 годах, ночами подрабатывая извозом и дежуря в лаборатории скорой помощи одной из московских больниц, Шраер-Петров написал первую часть дилогии «Герберт и Нэлли», романа об отказниках. В 1986 году первая часть дилогии была опубликована в Израиле в серии «Библиотека алия»; весь роман был впервые опубликован в Москве в 1992 году с предисловием Генриха Сапгира и попал в лонглист премии Русский Букер-1993; в 2005 году исправленное издание вышло в Санкт-Петербурге. Невзирая на официальный остракизм (в том числе и в советской печати), преследования и превентивные аресты органами госбезопасности, в годы отказа Шраер-Петров много и плодотворно писал. В этот период им были созданы два романа, несколько пьес, первый том литературных воспоминаний («Друзья и тени»; Нью-Йорк, 1989), множество рассказов и стихов. Изолированность от советского общества, соединенная с абсурдностью состояния еврея-писателя, одновременно отвергнутого Россией и прикованного к ней цепями отказничества, привела Шраера-Петрова к созданию новой жанровой формы, названной им фантелла (можно предложить расшифровку «фантастическая новелла».). В 1982–1987 годах Шраер-Петров и его жена устраивали неофициальные вечера-салоны для отказников, на которых выступали еврейско-русские писатели (Юрий Карабчиевский, Генрих Сапгир и другие).

В апреле 1987 года Шраер-Петров и его семья получили долгожданное разрешение на выезд. Они покинули СССР 7 июня 1987 года. В конце лета, проведя транзитные месяцы в Австрии и Италии, они приземлились в США. Местом жительства писателя стал Провиденс, столица Род-Айленда, самого маленького североамериканского штата. В Браунском университете он приступил к исследованиям по разработке экспериментальной модели рака кожи — меланомы, которые завершились созданием эффективных комбинаций антимеланомных вакцин и химиотерапевтических препаратов, направленных против одного из тяжелейших видов злокачественных опухолей. В Род-Айленде Шраер-Петров прожил почти двадцать лет, продолжая делить время между художественной литературой и научной работой в области экспериментальной иммунологии и химиотерапии рака. В общей сложности д-р Д. П. Шраер (D. P. Shrayer) опубликовал более ста статей по микробиологии, иммунологии и эпидемиологии и онкологии в советских, американских и западно-европейских научных изданиях.

Эмигрировав в США, на спаде Третьей волны, Шраер-Петров стал подписывать свои литературные публикации двойной фамилий, которая лапидарно выражает историю его творческой карьеры до и после России. Со времени эмиграции вышло семь сборников стихотворений Шраера-Петрова, среди которых «Вилла Боргезе» (Холиок, Масс., 1992), «Питерский дож» (Санкт-Петербург, 1999), «Форма любви» (Москва, 2003) и другие. Публикации последних двух десятилетий включают шесть романов (в том числе роман-фантелла «Замок Тыстемаа»; Таллинн, 2001), второй том литературных воспоминаний («Москва Златоглавая»; Балтимор, 1994) и пьеса «Мустафа, или золотой портсигар» (2005). В ряде рассказов («Осень в Ялте»; «За оградой зоопарка» и др.), а также в романах «Герберт и Нэлли», «Французский коттедж» (Провиденс, 1999) и «Модель жизни» (опубл. в журнале «Мосты» в 2009), научные изыскания и медицинский опыт писателя переплетаются с его художественными интересами. В 2004 году в Санкт-Петербурге вышли составленный Давидом Шраером-Петровым и Максимом Д. Шраером том «Стихотворений и поэм» Генриха Сапгира (Малая библиотека поэта) и написанная ими совместно первая книга о Сапгире «Генрих Сапгир: Классик авангарда». Время от времени Шраер-Петров выступает в печати как критик; его перу принадлежит работа «Искусство как излом» (1995), развивающая формулу В. Шкловского.