После школы Марина поступила в Киевский институт международных отношений, который успешно окончила в 2008 году.
В кино дебютировала в 2002 году, сыграв в скандальном фильме Юрия Ильенко «Молитва за гетьмана Мазепу». На Берлинском кинофестивале картину назвали «разжигающей межнациональную рознь». Министерство Культуры России не одобрило прокат «Молитвы за гетьмана Мазепу» на территории Российской Федерации.
В 2007 году Марина Петренко поступила на курс Дмитрия Брусникина и Романа Козака в Школу-студию МХАТ. Вскоре начала играть на подмостках театра «Моссовет».
В 2006 году сыграла в одном из эпизодов сериала «Возвращение Мухтара 3». В том же году отметилась участием в многосерийном телефильме «Пять минут до метро» и продюсерском проекте Гоши Куценко - в постановке Виктора Шамирова «Дикари». В 2007 году Марина Петренко снялась в мыльной опере «Татьянин день». В том же году на экраны вышел телефильм Александра Кириенко «Свои дети» и мелодрама Сергея Сотниченко «Молчун» с участием молодой актрисы.
2009 год стал переворотным в карьере Марины. Она сыграла главную женскую роль (Риту) в амбициозном боевике Павла Санаева «На игре». Лента вышла на экраны 26 ноября 2009 года, а 15 апреля 2010 года свет увидело ее продолжение под названием «На игре 2. Новый уровень», в котором артистка вернулась к образу Риты.
В 2010 году Марина Петренко сыграла роль Гали криминальном сериале Владимира Шевелькова «Женские мечты о дальних странах». В том же году отметилась участием в картине Василия Домбровского «Сердце мира». В 2011 году фильмография молодой актрисы пополнилась работами сразу в пяти телевизионных сериалах. Она снялась в детективе Вячеслава Никифорова и Александра Хвана «Группа счастья», криминальной мелодраме Алены Семеновой «Только ты», детективе Марата Кима и Егора Анашкина «Каменская 6», исторической ленте Николая Досталя «Раскол» и мистическом триллере «Закрытая школа».
