Павел Петренко родился в Санкт-Петербурге в 1981 году. С отличием окончил Хоровое училище имени М.И. Глинки и Санкт-Петербургскую государственную консерваторию имени Н.А. Римского-Корсакова по специальностям «Дирижирование академическим хором» (класс профессора Кудрявцевой Е.П.) и «Оперно-симфоническое
дирижирование» (класс профессора Титова А.В.).
С 2004 по 2006 год работал в театре «Санктъ-Петербургъ опера», где дирижировал спектаклями «Рита», «Колокольчик», «Viva la Mamma» Доницетти, «Сокол» Бортнянского, «Тайный брак» Чимарозы.
С 2007 года – приглашенный дирижер Государственного Академического Симфонического оркестра Санкт-Петербурга.
С 2007 по 2010 год – приглашенный дирижер детского музыкального театра «Зазеркалье», в котором под его управлением шли спектакли «Волшебная флейта» Моцарта, «Золушка» и «Итальянка в Алжире» Россини, «Летучая мышь» Иоганна Штрауса.
С 2008 года художественный руководитель и главный дирижер Выборгского музыкального театра-студии, где им были поставлены оперы «Паяцы» Леонкавалло, «Иоланта» Чайковского, «Кощей Бессмертный» Римского-Корсакова.
С 2014 года – приглашенный дирижер Уральского молодежного оркестра Екатеринбургской филармонии. С 2016 года – приглашенный дирижер Уральского Академического Филармонического оркестра.
В Мариинском театре Павел Петренко работал с 2003 года в должности хормейстера. В 2010 году дебютировал в Мариинском театре, заменив Валерия Гергиева на премьере оперы «Мистерия апостола Павла» Н. Каретникова Под его руководством в качестве дирижера Мариинского театра на протяжении 10 сезонов были исполнены оперные и балетные спектакли, а так же ряд концертных программ, таких как: «Реквием» и «Большая месса» Моцарта, «Stabat Mater» Россини и Перголези, «Messa di Gloria» Пуччини, «Свадебка» и «Мавра» Стравинского, «Конек-Горбунок» и «Боярыня Морозова» Щедрина, «Бенвенуто Челлини» Берлиоза, «Русалка» Дворжака, «Москва-Черемушки» Шостаковича, «Любовный напиток» Доницетти, «Саламбо» и «Женитьба» Мусоргского, «Любовь к трем апельсинам» Прокофьева, «Майская ночь» Римского-Корсакова.
В 2017 году как дирижер-постановщик поставил «Ночь перед Рождеством» Римского-Корсакова на Приморской сцене Мариинского театра (Владивосток).
С 2017 года – приглашенный дирижер Академического Симфонического оркестра Санкт-Петербургской филармонии имени Д.Д. Шостаковича.
С 2019 по 2021 – дирижер Михайловского театра, где дирижировал спектакли: «Свадьба Фигаро» и «Волшебная флейта» Моцарта, «Севильский цирюльник» Россини, «Паяцы» Леонкавалло, «Тоска» Пуччини, «Любовный напиток» Доницетти и «Щелкунчик» Чайковского.
С 2014 года дирижер работает в «Петербург-концерте» дирижером Симфонического оркестра Санкт-Петербурга. Под его руководством были осуществлены множество проектов: «Музыкальный Эрмитаж»; «Гениальные однофамильцы» Иоганн Штраус и Рихард Штраус; «ВЕСНА ПОБЕДЫ» Песни военных лет в Братиславе, Словакия; Благотворительный проект Рождественский сочельник» «Аня в стране чудес; «Во имя жизни, во имя мира» в г. Ашдод, Израиль; «ПОЮЩАЯ БАЛТИКА» и др. Так же реализует масштабные проекты такие как «Все симфонии Брамса», все симфонические произведения Рахманинова к юбилеям композиторов.