Петренко родился в селе Чемер Черниговской области на Украине. Окончил Харьковский театральный институт (1961). С 1961 - актер театров Запорожья и Донецка, с 1964 - Ленинградского театра им. Ленсовета, с 1977 - Московского драматического театра на Малой Бронной, с 1978 - МХАТа, в 1982-1986 работал по договору в театре "Школа драматического искусства" (под руководством А. Васильева), в 1991-1992 - в театре "Школа современной пьесы". В кино с 1967 года (первая роль - фарцовщик в фильме "День солнца и дождя"). Лауреат Всесоюзного кинофестиваля в номинации "Премии за актерскую работу за 1977 год
Актер, окончивший харьковский театральный, менял лучшие сцены Украины и России, как перчатки, передает телеканал "Вести". Запорожский музыкально-драматический театр имени Щорса, Донецкий русский драматический, театр Ленсовета, МХАТ. В конце концов, предпочел свободное плавание, чтоб самому выбирать роли. А потом он попал в кино.
Григория Распутина в Агонии Элема Климова должен был играть совсем другой актер. Но, режиссер, увидев Петренко в спектакле "Преступление и наказание", в один вечер изменил решение. Эту роль Алексей Васильевич сравнивает с полетом на сверхзвуковом истребителе. Такие же перегрузки - физические и психологические. С тех пор он все делает на пределе возможностей. В "20 днях без войны" у Петренко всего один монолог. Летчика, который едет домой с фронта, чтоб расправиться с изменившей ему женой. Алексей Герман снял актера одним, крупным планом, чтоб не терять неподдельную искренность эмоций.
Петр Великий в "Сказе о том, как царь Петр арапа женил" стал первой большой ролью Петренко. Совпал и рост, и характер - веселым хитрым самодуром, в лучшем смысле этого слова, вышел царь у актера. Он сыграл в 40 фильмах, в большинстве своем роли самодержцев и сильных мира сего. Теперь у него даже мечты не то что государственных, планетарных масштабов.