Роман Петренко родился 24 октября 1965 года в Мурманске.

Получил образование в Мурманском мореходном училище, Калининградском высшем военно-морском училище (специальность — «радиоинженер-электронщик») и в бизнес-центр LETI-Lovanium International Management Center в Санкт-Петербурге (диплом магистра делового управления (МВА)). Деловую карьеру начал в 1991 году с должности менеджера по продажам в представительстве компании Unilever в Ленинграде.

В 1992—1993 годы — бренд-менеджер компании «Unilever»; 1993—1997 — управляющий «портфелем» торговых марок, директор по маркетингу подразделения Petfoods (корма для животных) транснациональной компании MARS по России и странам СНГ. Известен как создатель концепции «говорящих животных» для рекламы кормов.

В 1996 году работал в табачной компании R. J. Reynolds.

В 1998—2002 годы — генеральный директор телекомпании СТС. Ушёл в отставку с этого поста в апреле 2002 года, после смены менеджмента на канале. При нём по итогам 2001 года СТС занял пятое место после ОРТ, РТР, НТВ и еще не отключенного от эфира ТВ-6, а в некоторых городах — даже третье место.

Был признан лучшим менеджером 2001 года в номинации «Лучший менеджер сервисного сектора».

С июля 2002 — генеральный директор телесети ТНТ. Перешёл по приглашению Бориса Йордана, тогдашнего генерального директора НТВ и Газпром-Медиа.

В качестве генерального директора телеканала был многократным лауреатом премии «Медиаменеджер России» в различных номинациях. Имеет медаль «Медиа-менеджер десятилетия».

Кроме того, после прихода Романа Петренко на пост генерального директора ТНТ этот канал заметно увеличил свою аудиторию — с прежних 2,7% до 5,4%.

В 2008 году «За большой вклад в развитие отечественных средств массовой информации и многолетнюю плодотворную деятельность» гендиректор ТНТ был отмечен специальной благодарностью Президента России.

Женат, имеет двух сыновей.