Михаил Петренко родился в Ленинграде. Окончил Санкт-Петербургскую государственную консерваторию имени Н. А. Римского-Корсакова (класс Булата Минжилкиева). В 1998 году был приглашен в только что открывшуюся Академию молодых оперных певцов Мариинского театра.
Лауреат международных конкурсов «Новые вердиевские голоса» имени Марии Каллас в Парме (2000), имени Н. А. Римского-Корсакова в Санкт-Петербурге (2002), Елены Образцовой в Санкт-Петербурге (2003), «Опералия» Пласидо Доминго в Лос-Анджелесе (2004).
С 1998 года – солист Мариинского театра, дебютировал в опере Прокофьева «Семён Котко». В 2004 года началась международная карьера певца – с выступления в Берлинской государственной опере в партии Хундинга («Валькирия» Вагнера) под управлением Даниэля Баренбойма. С этого времени артист выступает в лучших театрах мира: Парижской национальной опере, Метрополитен-опере (Нью-Йорк), театре Ла Скала (Милан), Баварской государственной опере (Мюнхен), Королевском оперном театре Ковент-Гарден (Лондон), Большом театре Женевы, Венской государственной опере и венском Театре ан дер Вин, Нидерландской национальной опере в Амстердаме, Немецкой опере в Берлине, Гамбургской государственной опере, Опере Бильбао, театре Карло Феличе в Генуе, Опере Кёльна и других.
В 2011 году Михаил Петренко дебютировал в Большом театре России в партии Руслана («Руслан и Людмила» Глинки) на открытии Исторической сцены после реконструкции. В дальнейшем исполнял на сцене ГАБТа партию Дуды («Садко» Римского-Корсакова).
Артист сотрудничал со многими ведущими оркестрами и выдающимися дирижерами, среди которых Валерий Гергиев, Даниэль Баренбойм, Пьер Булез, Лорин Маазель, Зубин Мета, Риккардо Мути, Янник Незе-Сеген, Саймон Рэттл, Эса-Пекка Салонен, Дэниел Хардинг, Кристоф Эшенбах, Владимир Юровский, Марк Минковски, Джонатан Нотт, Шарль Дютуа, Чон Мён Хун.Принимал участие в фестивалях в Зальцбурге, Вербье, Экс-ан-Провансе, Эдинбурге, Роттердаме, Баден-Бадене, ВВС Promsв Лондоне, фестивале Пуччини в Риме.
В обширном репертуаре певца – более 30 партий, в числе которых Руслан, Кончак / Галицкий («Князь Игорь» Бородина), Гремин, Архиепископ, Король Рене («Евгений Онегин», «Орлеанская дева», «Иоланта» Чайковского), Борис Годунов / Пимен, Иван Хованский («Борис Годунов», «Хованщина» Мусоргского), Инквизитор («Огненный ангел» Прокофьева), Лепорелло, Фигаро, Зарастро («Дон Жуан», «Свадьба Фигаро», «Волшебная флейта» Моцарта), Филипп II, Рамфис, Банко, Якопо Фиеско, Захария, Феррандо («Дон Карлос», «Аида», «Макбет», «Симон Бокканегра», «Набукко», «Трубадур» Верди), Даланд, Генрих Птицелов, Король Марк, Фафнер, Хундинг, Хаген, Титурель/Клингзор («Летучий голландец», «Лоэнгрин», «Тристан и Изольда», тетралогия «Кольцо нибелунга», «Парсифаль» Вагнера), Орест, Барак («Электра», «Женщина без тени» Р. Штрауса), Мефистофель («Фауст» Гуно и «Осуждение Фауста» Берлиоза), Синяя Борода («Замок герцога Синяя Борода» Бартока), Лоренцо («Ромео и Джульетта» Гуно), Дон Базилио («Севильский цирюльник» Россини), Дулькамара («Любовный напиток» Доницетти), Креонт («Царь Эдип» Стравинского), Папа Климент VII («Бенвенуто Челлини» Берлиоза) и многие другие, а также кантатно-ораториальные и вокально-симфонические произведения И. С. Баха, Моцарта, Бетховена, Россини, Верди, Дворжака, Мусоргского, Рахманинова, Шостаковича, Яначека, Малера.
Записи с участием артиста выпущены фирмами Naxos, Opus Arte, Deutsche Grammophon, Mariinsky, Bel Air Classiques, Warner Classics. Видеозапись оперы «Электра» Р. Штрауса завоевала в 2015 году премию Gramophone.
Михаил Петренко сыграл роль Лепорелло в фильме «Хуан», созданном на основе оперы Моцарта «Дон Жуан». Премьера картины прошла в рамках Гамбургского кинофестиваля (2010).
