Всю тренерскую карьеру Сергей Петренко провёл в структуре московского клуба
Сезон 1986/87 Петренко провёл в харьковском «Динамо» в первой лиге СССР, после чего в возрасте 19 лет перешёл в одноимённый клуб из Москвы, где отыграл 9 сезонов. Также форвард выступал в «Давосе» (Швейцария), «Витковице» (Чехия), «Одзи» (Япония), новокузнецком «Металлурге», «Северстали» и в «Сибири».
В 1993 году был выбран на Драфте НХЛ в 7 раунде под общим 168-м номером «Баффало», провёл 14 матчей в НХЛ и 81 в АХЛ. Сергей Петренко является серебряным призёром молодежного Чемпионата мира (1988), чемпионом Олимпийских игр (1992), чемпионом мира (1993), многократным чемпионом России (1990, 1991, 1992, 1993), обладателем Кубка МХЛ (1996).
В качестве ассистента главного тренера Петренко работал во второй команде московского «Динамо», и «Динамо» (Балашиха), сборных России U18 и U19. В 2015-2017 гг. – главный тренер ХК МВД, выступавшего в ВХЛ.
С 2017 по 2019 год Сергей Петренко возглавлял МХК «Динамо» (МХЛ), далее продолжил тренерскую карьеру в Академии «Динамо» им. А. И. Чернышева.