Алексей Васильевич Петренко родился 26 марта 1938 года на Украине, в селе Чемер Черниговской области. После окончания школы, он два года пробовал поступить в Киевский театральный институт, но проваливал вступительные экзамены, а чтобы не сидеть на шее у родителей, работал кузнецом.
В третий раз, в 1957 году, Петренко все же поступил, но уже в Харьковский театральный институт на курс И.Марьяненко, который окончил в 1961 году. Затем Алексей несколько лет работал в драматических театрах Украины.
Наигравшись маленьких и случайных ролей, Петренко по приглашению И.Владимирова в 1964 году перебрался в ленинградский Театр имени Ленсовета. На сцене этого театра он играл в спектаклях — «Солдат и змея», «Ромео и Джульетта», «Трехгрошовая опера», «Укрощение строптивой», «Хождение по мукам», «Преступление и наказание», «Левша» и другие. Мастерство талантливого актера росло стремительно.
В 1977 году он переехал в Москву, где стал актером Московского драматического театра на Малой Бронной. В последующие годы театры столицы он постоянно менял — в 1978-1982 годах Алексей работал в МХАТе, затем в «Школе драматического искусства», в 1990-х годах – был актером Театра на Таганке, в «Школе современной пьесы»… Петренко предпочитал сам выбирать материал и сцену. Причем роли он играл самые разные, как трагедийные, так и комедийные, в спектаклях: «Женитьба», «Месяц в деревне», «На дне», «Веранда в лесу», «Утиная охота», «Обвал», «Серсо», «Дон Педро» и многих других.
Параллельно с работой в театре он много снимался в кино. Его дебютом стала роль в картине «День солнца и дождя» в 1967 году, а с 1991 года – он актер Киностудии имени М.Горького. Первой большой работой Петренко в кино стала роль Распутина в фильме Э.Климова «Агония» (1974), ставшего классикой кинематографа (к сожалению, долгое время эта картина пролежала «на полке» и вышла в прокат лишь в 1985 году).
Затем была целая череда ярких и запоминающихся работ в кино. Среди них роли в картинах — «Сказ про то, как царь Петр арапа женил» (1976), «Ключ без права передачи» (1976), «Женитьба» (1977), «Прощание» (1982), «ТАСС уполномочен заявить» (1984), «Жестокий романс» (1984), «Давыдов и Голиаф» (1985), «Узник замка Иф» (1988), «Пиры Валтасара» (1989), «Сибирский цирюльник» (1998) и многие другие.
Среди киноработ Петренко в новом тысячелетии — роли в картинах – «Воспоминания о Шерлоке Холмсе», «Чорна Рада», «В августе 44-го», «Коллекционер», «Идиот», «Шахматист», «Доктор Живаго», «12 разгневанных мужчин», «Ветка сирени», «Двенадцать», «Похороните меня за плинтусом», «Вольф Мессинг», «Утомленные солнцем – 2» и другие.
За годы творческой карьеры актер снялся более чем в 50 фильмах, блестяще играя и царственных особ и простых мужиков. У Алексея Васильевича, по его собственному признанию, никогда не было неуемного желания работать. Часто он сам отказывался от ролей, будучи уверен, что «лучше немного и толково, нежели всеядно». Зато в те роли, на которые он соглашается, актер вкладывает всю душу, работая с полной самоотдачей.
Петренко очень любит украинские песни, и сам поет их с удовольствием, участвуя в концертных программах и хоровых представлениях. Вообще, петь он может все — увертюры, русские народные песни, духовные песнопения, арии, также он поет с симфоническим оркестром под руководством Федосеева. Еще Алексей Васильевич записал диски с русскими народными сказками, которые боготворит, самостоятельно изучает церковнославянский язык.
Народный артист РСФСР, лауреат Государственной премии РФ и премии Президента России в области литературы и искусства, Петренко награжден орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени, является лауреат многих международных и отечественных кинофестивалей.
Он дважды был женат. Его первая супруга — певица Алла Петренко, с которой они поженились в 1960 году. В этом браке родилась дочь Полина. Вторая жена актера — известный журналист Галина Кожухова-Петренко, с которой он познакомился в конце 1970-х. Они много лет прожили в счастливом браке, но в 2009 году Галина умерла. Сын актера в этом браке — журналист Михаил Кожухов.
Сегодня известный актер Алексей Васильевич Петренко продолжает много и успешно играть на сцене, сниматься в кино, он живет и работает в Москве.