Алексей Петренко родился 26 марта 1938 года в селе Чемер Черниговской области. В 1961 году окончил курс народного артиста СССР Ивана Марьяненко в Харьковском театральном институте.

С 1961 года по распределению оказался в Запорожском музыкально-драматическом театре имени Щорса, где работал два года. С 1963 по 1964 год играл в Донецком областном русском драматическом театре в Мариуполе. В 1964 году Игорь Владимиров пригласил Алексея Петренко в Ленинградский театр им. Ленсовета.

C 1977 года Алексей Васильевич выступал на сцене Московского драматического театра на Малой Бронной. Зрители МХАТа могли наслаждаться игрой Алексея Петренко с 1978 года. В 1982—1986 годах работал с Анатолием Васильевым в спектакле «Серсо». В 1991—1992 Петренко выходил на сцену театра «Школа современной пьесы».

С 1991 года Алексей Васильевич был штатным актером Киностудии им. М. Горького. 26 июля 2010 года он вошел в Патриарший совет РПЦ по культуре.

Мы помним его удивительную актерскую игру. Он исполнил роль летчика Строганова в драме Алексея Германа «Двадцать дней без войны», сыграл Подколесина в «Женитьбе» Виталия Мельникова, появился на телеэкранах СССР в роли американского журналиста Пола Дика в многосерийном фильме «ТАСС уполномочен заявить». В «Жестоком романсе» Алексей Петренко исполнил роль предпринимателя Кнурова, в «Узнике замка Иф» он сыграл аббата Фриа. Алексей Петренко не раз появлялся на экране в образе исторических личностей: в «Пирах Валтасара» он исполнил роль Сталина, а в «Воспоминаниях о Шерлоке Холмсе» — роль Артура Конан Дойля. Фильмография Алексея Васильевича насчитывает около 80 картин.