Po absolvovaní herectva Petrenko účinkoval v moskovskom divadle MCHAT, vo filme debutoval v 70. rokoch v Shakespearovej klasike Kráľ Lear. Od roku 1991 bol dvorným hercom filmového štúdia Gorky.
Petrenko stvárnil takmer osemdesiat filmových úloh, režiséri ho najčastejšie obsadzovali do historických a životopisných snímok. Robustná postava a zachmúrený pohľad ho predurčili na negatívne postavy. Ruskému diktátorovi Stalinovi prepožičal tvár vo filme Baltazárova hostina alebo noc so Stalinom (1989). V historickej dráme z roku 1975 Agónia – koniec Rasputina o dramatických udalostiach, ktoré viedli ku koncu monarchie v Rusku, hral kontroverzného Rasputina – radcu cárovnej Alexandry Fjodorovny.
V roku 2008 sa k Stalinovi vrátil, účinkoval v britsko-poľskom historickom seriáli II. svetová vojna: Za zatvorenými dverami. Arthura Conana Doylea, autora kníh o najslávnejšom detektívovi na svete, si zahral vo filme Pamäti Sherlocka Holmesa. Známy je aj z filmu Dvadsať dní bez vojny a vedľajšie postavy mu zveril ruský režisér Nikita Michalkov v snímkach Barbier sibírsky (1998) či Dvanásť (2007).
