В 2001 году окончил юридический факультет Черновицкого национального университета имени Юрия Федьковича по специальности «Правоведение».
В 2004 году окончил Украинскую академию внешней торговли при Министерстве экономики Украины по специальности «Менеджмент внешнеэкономической деятельности».
В 2014 году получил степень кандидата юридических наук.
Не женат. Есть мать, сестра и племянница Божена Кличук.
В том же 2001 году начал карьеру в киевском "Ощадбанке", проработав почти год главным юрисконсультом. С декабря 2001 по 2005 гг. работал на руководящих должностях в департаменте правового обеспечения "Ощадбанка".
В 2006–2010 гг. занимался частной адвокатской практикой. Совместно с Александром Агеевым учредил юрфирму «Декларант», а позднее они же с группой партнеров основали адвокатскую компанию «МЛ ГРУП». В 2008 году Агеев поделился с партнером долей в транспортно-экспедиторской компании «Заммлер Украина».
В ноябре 2010 года избран депутатом Киевского облсовета, был членом постоянной комиссии по вопросам законности, правопорядка и борьбы с коррупцией.
На парламентских выборах 2012 года прошел в Верховную Раду под №52 в списке партии "Батькивщина". На выборах руководил юридическим департаментом Объединенной оппозиции «Батькивщина». В парламенте стал секретарем комитета по вопросам верховенства права и правосудия.
В июне 2013 года после объединения «Фронта перемен» и «Батькивщины» избран одним из заместителей лидера «Батькивщины».
27 февраля 2014 года назначен министром юстиции в правительстве Арсения Яценюка.
С ноября 2014 года народный депутат VIII созыва. На досрочных парламентских выборах прошел в парламент от партии "Народный фронт" под номером 11.
2 декабря 2014 года Верховной Радой Украины было утверждено Второе правительство Яценюка, Павел Петренко сохранил должность. В январе 2015 года его первым заместителем была назначена Наталья Севостьянова.02.09.2019