Павел Петренко родился в Санкт-Петербурге и получил музыкальное образование в Санкт-Петербургской государственной консерватории им. Н. А. Римского-Корсакова (класс профессора Е. П. Кудрявцевой). В 2004–2006 гг. сотрудничал с государственным камерным музыкальном театром «Санктъ-Петербургъ опера», где дирижировал операми «Рита», «Колокольчик», «Viva la mamma», «Сокол» и «Тайный брак». В 2005 году был участником международного конкурса симфонических дирижеров Min-On в Токио. С 2007 года является дирижером детского музыкального театра «Зазеркалье», где под его управлением исполняются оперы «Волшебная флейта» и «Золушка», оперетта «Летучая мышь», а также ряд детских спектаклей. В качестве дирижера сотрудничает с Санкт-Петербургским государственным симфоническим оркестром и оркестром государственной филармонии для детей и юношества. В 2009 году под его руководством состоялось исполнение оперы «Кащей Бессмертный» в Выборгском замке с участием солистов и хора Мариинского театра и оркестра театра «Санктъ-Петербургъ опера». Также многократно дирижировал спектаклем «Лебединое озеро», представленным труппой Константина Тачкина. В 2010 году на сцене Концертного зала Мариинского театра Павел Петренко дирижировал премьерой оперы Николая Каретникова «Мистерия апостола Павла», а 5 апреля 2011 года на сцене Мариинского театра – оперой Родиона Щедрина «Мертвые души».