Анатолій Петренко народився 18 червня 1987 р. у м. Лебедин. У 2004 році закінчив спеціалізовану школу №29 міста Суми, у 2008 році – Національну академію Державної прикордонної служби України імені Богдана Хмельницького (місто Хмельницький).
З 2008 року проходив військову службу у Навчальному центрі внутрішніх військ Міністерства внутрішніх справ України (військова частина 3007, місто Золочів Львівської області). Згодом перевівся до 21-ї окремої бригади внутрішніх військ Міністерства внутрішніх справ України (з 2014 року – 21-ша окрема бригада охорони громадського порядку Національної гвардії України; військова частина 3011, місто Кривий Ріг Дніпропетровської області).
Брав участь в антитерористичній операції на сході України.
12 серпня 2016 року майор Петренко помер внаслідок серцевого нападу, який стався під час охорони блокпосту поблизу міста Курахове Мар‘їнського району Донецької області.
15 серпня 2016 року похований на Алеї Почесних громадян Центрального кладовища міста Суми.