Петренко родился в Черниговской области, в 1961 году окончил Харьковский театральный институт. После его окончания поступил на службу в Запорожский музыкально-драматический театр имени Щорса, через два года — в Донецкий областной русский драматический театр в Мариуполе. С 1964-го по 1978 год играл в Ленинградском театре им. Ленсовета, с 1977 года выступал на сцене Московского драматического театра на Малой Бронной, а с 1978-го — на сцене МХАТа, напоминает ТАСС.

Дебют артиста в кино состоялся в 1967 году в фильме «День солнца и дождя». Артист сыграл почти 80 киноролей, в том числе в фильмах «Жестокий романс», «Узник замка Иф», «Агония», «Похороните меня за плинтусом», «Двадцать дней без войны», в многосерийном фильме «ТАСС уполномочен заявить».

В нашем кино мало было артистов настолько же заметных, как Алексей Петренко — да и как можно было не заметить такую величину! Два метра ростом, богатырская стать, талант мигом переключаться между актерскими регистрами: вот он душа компании, а вот уже разъяренный монарх. За долгую — полвека! — карьеру он и правда успел сыграть самых разных вождей: прославивший его Петр I и Карл I, Распутин и Хмельницкий… Сталина Петренко сыграл и вовсе четырежды, и это не считая роли двойника генсека. Выросшему под Черниговом, ему, казалось, на роду написано играть роли фактурные — но его диапазон не ограничивался лесниками, генералами, включая героев и утонченных, и ранимых.

Российский режиссер Никита Михалков рассказал об ушедшем актере Алексее Петренко. По его словам, артист был гениальным. 

«Такого масштаба! Сейчас такого масштаба не делают, что называется. Такого мощного нутра, такого темперамента, такого бесстрашия, умеющего из казалось бы ничего незначащих ситуаций выстраивать грандиозный образ, умеющий заставить себя слушать и на себя смотреть не за счет медийности, как сегодня говорят, а за счет огромной внутренней мощи», — сказал Михалков. 

Режиссер вспоминает, как они вместе работали на съемках «Сибирского цирюльника». 

«Это был праздник, это было восхищение — работать с ним», — отметил режиссер. 

Он вспомнил, как на съемках для Петренко наняли учителя по английскому языку, который до конца работы над лентой выучил русские песни, узнал бранные русские выражения.