Алексей Петренко родился 26 марта 1938 года в селе Чемер Черниговской области Украины. В детстве увлекался спортом, занимался боксом и борьбой, интересовался театром, посещал драматический кружок во Дворце пионеров. Руководитель драмкружка отговорил Алексея заниматься силовыми видами спорта из-за вероятности получить перелом носа или ушей. Так у маленького Алексея осталось только одно увлечение – актёрское искусство.
Сразу после школы Алексей Петренко решил поступать в Киевский театральный институт, однако два раза подряд «провалил» экзамены. Вернувшись из Киева, юный Алексей не стал сидеть у родителей на шее, а подался в кузнецы. Однако мечта об обучении в театральном институте не была заброшена, и через год Петренко поехал в третий раз пытать счастья в Харьковский театральный институт. На своё счастье перед экзаменами он встретил известного театрального деятеля Трофима Ольховского. Молодой актёр произвёл на опытного педагога хорошее впечатление, и он заявил остальным экзаменаторам, что Алексея нужно брать в институт.
Алексей окончил училище в 1961 году и устроился в Запорожский музыкально-драматический театр имени Щорса, откуда вскоре перешёл в русский драматический театр в Жданове. К 1964 году Алексей Петренко сыграл немало театральных ролей, однако все они были преимущественно второстепенные. К счастью, молодого актёра пригласили в ленинградский Театр Ленсовета. Первой же работой Алексея на новом месте стала роль Солдата в сказочном спектакле «Солдат и змея». Со временем пришли и более характерный роли, например, граф Воронцов в «Пушкин в Одессе», Матиас-Монета в «Трёхгрошовой опере», Свидригайлов в «Преступлении и наказании».
Сниматься в кино Алексей Петренко начал в 1967 году, начало было скромным, хотя образ фарцовщика в «Дне солнца и дождя» запомнился зрителям. По-настоящему значимой для Алексея ролью стал Григорий Распутин в ставшей со временем классической кинокартине «Агония» (1974).
Среди других прекрасно сыгранных Алексеем Петренко киноролей строит выделить директора школы Кирилла Алексеевича в драматической ленте «Ключ без права передачи», сердитого председателя сельского совета в «Прощании». Поистине выдающимися получились такие фильмы с участием Алексея Петренко, как «Женитьба» (по роману Гоголя), «Лев Толстой», «Слуга», «Узник замка Иф» (аббат Фариа), «Жестокий романс» (Мокий Парменыч Кнуров). Впечатляющую игру Алексей Петренко показал в картине Никиты Михалкова «Сибирский цирюльник»: генерал Радлов получился на удивление живым и ярким. В 1980-х большой популярностью пользовался короткометражный фильм «Давыдов и Голиаф», где Алексей Петренко сыграл рабочего завода.
Среди недавних ролей Алексея Петренко упоминания заслуживают работы в картинах «В августе 44-го» (генерал Егоров), «Идиот» (генерал Иволгин), «Двенадцать» (бывший рабочий-метрополитеновец, пенсионер).
