Павел Петренко родился в Санкт-Петербурге. 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».
С 2004 по 2006 год работал в театре «Санктъ-Петербургъ опера». С 2007 по 2010 год – приглашенный дирижер детского музыкального театра «Зазеркалье». С 2008 года художественный руководитель и главный дирижер Выборгского музыкального театра-студии. С 2014 года – дирижер Санкт-Петербургского государственного симфонического оркестра и приглашенный дирижер молодежного оркестра Екатеринбургской филармонии.
В Мариинском театре Павел Петренко работает с 2003 года в должности хормейстера, выступая также в качестве дирижера концертных программ и оперных спектаклей, среди которых такие оперные премьеры, как «Мистерия апостола Павла» Николая Каретникова, «Мертвые 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 трем 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, «Конек-Горбунок» и «Рождественская сказка» Родиона Щедрина.