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.