Se formó en el Conservatorio de San Petersburgo.
Estudió dirección de orquesta con Ilya Musin, y después bajo la tutela de Mariss Jansons, Yuri Temirkánov y Esa-Pekka Salonen.
[3] Tras su debut, fue nombrado en julio de 2005, director principal de la RLPO, convirtiéndose en el más joven en ocupar el puesto, con efectos desde la temporada 2006-2007 y con un contrato inicial de tres años.
[10] Su primera aparición como director en los Proms fue dirigiendo la RLPO en agosto de 2008.
[15] En marzo de 2009, Petrenko recibió el título de profesor honorario y el doctorado en Letras por la Liverpool Hope University.