Павел Петренко родился в Санкт-Петербурге в 1981 году. Окончил Хоровое училище им. М.И. Глинки и Санкт-Петербургскую государственную консерваторию им. Н.А. Римского-Корсакова по специальностям «хоровое дирижирование» и «оперно-симфоническое дирижирование».
В 2004–2006 гг. работал в театре «Санктъ-Петербургъ опера», где дирижировал спектаклями «Рита», «Колокольчик», «Сокол», «Тайный брак». В 2007–2010 гг. — приглашённый дирижёр детского музыкального театра «Зазеркалье», в котором под его управлением шли спектакли «Волшебная флейта», «Золушка», «Летучая мышь». С 2008 года — художественный руководитель и главный дирижёр Выборгского музыкального театра-студии, где им поставлены оперы «Паяцы», «Иоланта», «Кащей Бессмертный».
С 2014 года — дирижёр Санкт-Петербургского государственного симфонического оркестра и приглашённый дирижёр молодёжного оркестра Екатеринбургской филармонии.
В Мариинском театре Павел Петренко работает с 2003 года в должности хормейстера, выступая также в качестве дирижёра концертных программ и оперных спектаклей, среди которых такие оперные премьеры, как «Мистерия апостола Павла» Николая Каретникова, «Мёртвые души» и «Левша» Родиона Щедрина, «Русалка» Александра Даргомыжского, «Любовный напиток» Гаэтано Доницетти, «Саламбо» и «Женитьба» Модеста Мусоргского, «Мавра» Игоря Стравинского, а также спектакли «Любовь к трём апельсинам» Сергея Прокофьева, «Русалка» Антонина Дворжака, «Ночь перед Рождеством» и «Майская ночь» Николая Римского-Корсакова, «Дон Кихот» Жюля Массне, «Свадебка» Игоря Стравинского, «Бенвенуто Челлини» Гектора Берлиоза, «Конёк-Горбунок» и «Рождественская сказка» Родиона Щедрина.
