Après s’être spécialisé dans la direction de chœurs, d’opéras et dans la direction symphonique, Pavel Petrenko sort diplômé de l’École chorale Glinka et du Conservatoire Rimsky-Korsakov de Saint-Pétersbourg.
A partir de 2003, il travaille comme chef de chœur au Théâtre Mariinsky et participe à de nombreuses productions où il apparaît aussi bien en tant que chef de chœur, que chef d’orchestre des programmes d’opéra : Le Mystère de l’apôtre Paul de Karetnikov, Les Âmes mortes, Le Gaucher, Un Conte de Noël et Le Petit cheval bossu de Rodion Chtchedrine, Roussalka de Dargomyjski, L’Elisir d’amore de Donizetti, Salammbô et Marriage de Moussorgski, Mavra et Les Noces de Stravinsky, L’Amour des trois oranges de Prokofiev, Rousslaka de Dvořák, La Veille de Noël et La Nuit de mai de Rimski-Korsakov, Don Quichotte de Massenet ou Benvenuto Cellini de Berlioz.
De 2004 à 2006, il intègre le théâtre « L’Opéra de chambre Saint-Pétersbourg », où il dirige les représentations de Rita, ou le mari battu et Il Campanello di notte de Donizetti, Le Faucon de Bortnianski et Il Matrimonio segreto de Cimarosa.
De 2007 à 2010, il est chef invité du théâtre musical pour enfants « Zazerkalié » où il dirige les représentations de La Flûte enchantée de Mozart, La Cenerentola de Rossini et Die Fledermaus de J. Strauss.
Depuis 2008, il est directeur artistique et chef principal du Théâtre musical de Vyborg où il a mis en scène les opéras Pagliacci de Leoncavallo, Iolanta de Tchaikovski et Kashchey l’Immortel de Rimski-Korsakov.
Depuis 2014, il dirige l’Orchestre symphonique d’État de Saint-Pétersbourg et est chef invité de l’Orchestre philharmonique des jeunes de l’Oural.