Михаил Петренко родился в Ленинграде. В Санкт-Петербургской консерватории учился у солиста Мариинского театра Булата Минжилкиева. В 1998 году был приглашен в только что открывшуюся Академию молодых оперных певцов, тогда же дебютировал на сцене Мариинского театра в опере Прокофьева «Семен Котко». В начале певческой карьеры завоевал награды на таких престижных вокальных конкурсах, как Operalia (2004, Лос-Анджелес), конкурс Елены Образцовой (2003) и конкурс им. Римского-Корсакова (2002) в Санкт-Петербурге.

Началом международной карьеры певца стал его дебют в Берлинской государственной опере в партии Хундинга («Валькирия»), который состоялся 2004 году под музыкальным руководством Даниэля Баренбойма. С этого момента Михаила Петренко стали приглашать в ведущие мировые оперные театры и на престижные оперные фестивали. Он выступает на сценах Парижской национальной оперы, Метрополитен-оперы, Ла Скала, Баварской государственной оперы, Королевского оперного театра Ковент-Гарден, а также на Зальцбургском фестивале, в Экс-ан-Провансе и на BBC Proms.

Как оперный, так и концертный репертуар певца отличается чрезвычайным разнообразием. Он исполняет басовые партии в русской оперной классике, поет в операх Моцарта, Верди, Вагнера, Рихарда Штрауса, Прокофьева, Бартока.