Петренко родился в Черниговской области, в 1961 году окончил Харьковский театральный институт. После его окончания поступил на службу в Запорожский музыкально-драматический театр имени Щорса, через два года - в Донецкий областной русский драматический театр в Мариуполе.
С 1964 по 1978 года играл в Ленинградском театре им. Ленсовета, с 1977 года выступал на сцене Московского драматического театра на Малой Бронной, а с 1978 - на сцене МХАТа.
Дебют артиста в кино состоялся в 1967 году в фильме "День солнца и дождя". Артист сыграл почти 80 киноролей, в том числе в фильмах "Жестокий романс", "Узник замка Иф", "Агония", "Похороните меня за плинтусом", "Двадцать дней без войны", в многосерийном фильме "ТАСС уполномочен заявить".