Родился в Ленинграде. Окончил Санкт-Петербургскую государственную консерваторию имени Н.А. Римского-Корсакова в классе Булата Минжилкиева. В 1998 году приглашён в Академию молодых оперных певцов Мариинского театра, тогда же дебютировал на сцене Мариинского театра в опере Прокофьева «Семён Котко». В начале певческой карьеры завоевал награды на таких престижных вокальных конкурсах, как Operalia (2004, Лос-Анджелес), конкурс Елены Образцовой (2003) и конкурс имени Римского-Корсакова (2002) в Санкт-Петербурге.

Началом международной карьеры певца стал его дебют в Берлинской государственной опере в партии Хундинга («Валькирия»), который состоялся в 2004 году под музыкальным руководством Даниэля Баренбойма. С этого момента Михаила Петренко стали приглашать в мировые оперные театры и на престижные оперные фестивали. 

Выступал на сценах Парижской национальной оперы, Метрополитен-оперы, Ла Скала, Баварской государственной оперы, Ковент-Гардена, а также на Зальцбургском фестивале, в Экс-ан-Провансе и на BBC Proms.

Оперный и концертный репертуар отличается чрезвычайным разнообразием. Певец исполняет басовые партии в русской оперной классике, в операх Моцарта, Верди, Вагнера, Рихарда Штрауса, Прокофьева, Бартока и других композиторов.

Лауреат XVII Международного конкурса имени П. И. Чайковского (Москва, 2023).

В 2008 году начал заниматься музыкой в Санкт-Петербургской детской школе искусств имени С. В. Рахманинова (класс Джеммы Седлецкой). С 2011 по 2019 год обучался в Средней специальной музыкальной школе Санкт-Петербургской государственной консерватории имени Н. А. Римского-Корсакова (класс Ольги Курнавиной и класс профессора Александра Сандлера). С 2019 по 2024 год — студент Санкт-Петербургской государственной консерватории (класс профессора Александра Сандлера). С 2024 года — ассистент-стажёр и преподаватель на кафедре специального фортепиано там же.

В 2014 году дал первый большой сольный концерт на сцене Государственной академической капеллы Санкт-Петербурга. В 2022 году состоялся дебютный сольный концерт на сцене Большого зала Санкт-Петербургской филармонии имени Д. Д. Шостаковича. В феврале 2023 года в рамках фестиваля Piano Days прошёл дебютный сольный концерт на сцене концертного зала Flagey в Брюсселе (Бельгия).

Выступает на ведущих сценах России: в Москве, Санкт-Петербурге, Великом Новгороде, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Сочи, Мурманске, Архангельске, Вологде, Иркутске, Барнауле, Красноярске, Воронеже, Кисловодске, Нальчике, Якутске, Улан-Удэ, Республике Башкортостан и Республике Коми. Давал концерты за рубежом: в Беларуси, Армении, Бельгии, Испании и Китае.

Пианист выступает и с сольной программой, и с оркестрами под руководством маститых дирижёров, таких как Николай Алексеев, Валерий Гергиев, Александр Титов, Фабио Мастранджело, Алексей Васильев, Иван Никифорчин, Кристиан Кнапп, Александр Чернушенко, Михаил Голиков, Максим Алексеев, Валерий Полянский, Феликс Кругликов, Димитрис Ботинис, Алексей Ньяга, Гурген Петросян, Юрий Караваев, Владимир Плаксин, Артём Абашев и др.

Уже в 9 лет стал лауреатом Международного юношеского конкурса имени Ф. Шопена (Санкт-Петербург, 2010). Затем неоднократно становился победителем престижных конкурсов: I премия Международного конкурса юных пианистов имени Ф. Шопена, II премия Международного юношеского конкурса имени П. И. Чайковского, III премия Международного конкурса юных пианистов Astana Piano Passion, II премия Общероссийского конкурса «Молодые дарования России», I премия Всероссийского межвузовского конкурса «Фортепиано сегодня» при Санкт-Петербургской государственной консерватории, I премия V Международного конкурса City of Vigo – Galicia и др.

Участник множества фестивалей, среди которых «Лики современного пианизма», Международный молодёжный фестиваль имени П. И. Чайковского, Международный фестиваль имени Рахманинова «Белая сирень», ХХ Международный фестиваль «Международная неделя консерваторий», XI Международный фестиваль «Серебряная лира», Pianissimo, фестиваль Piano Days, «Денис Мацуев представляет: диалог поколений», «Русская фортепианная школа».

Принимал участие в мастер-классах Павла Нерсесьяна, Андрея Диева, Григория Грузмана, Александра Мндоянца.

Получил грант Президента РФ.

Действующий член молодёжной секции Ассоциации лауреатов Международного конкурса имени П. И. Чайковского.

Солист Санкт-Петербургского Дома музыки с 2016 года.

Стипендиат фонда «Артис Футура» с 2021 года.