Родился в Ленинграде. Окончил Хоровое училище им.М.И.Глинки и Санкт-Петербургскую государственную консерваторию им.Н.А.Римского-Корсакова. Участвовал в мастер-классах Ю.Темирканова, М.Янсонса, И.Мусина и Э.-П.Салонена. В 1994–1997 и 2001–2004 гг. был дирижером Театра оперы и балета им.М.П.Мусоргского (Михайловский театр), в 1997–2001 гг. – театра «Зазеркалье».

Лауреат Международного конкурса хоровых дирижеров имени Д.Д.Шостаковича в Санкт-Петербурге (1997, I премия), IV Международного конкурса дирижеров им.С.С.Прокофьева в Санкт-Петербурге (2003, II премия) и VI Международного конкурса дирижеров в Кадакесе (Гран-при, 2002, Испания).

В 2004–2007 гг. – главный дирижер Санкт-Петербургского государственного симфонического оркестра, в 2009–2013 гг. – главный дирижер Национального молодежного оркестра Великобритании, в 2013–2020 гг. – главный дирижер Филармонического оркестра Осло, в 2006–2021 гг. – главный дирижер Королевского филармонического оркестра Ливерпуля. С 2015 года – главный дирижер Молодежного оркестра Евросоюза. С 2021 года – главный дирижёр Королевского филармонического оркестра в Лондоне и художественный руководитель Госоркестра России имени Е.Ф.Светланова в Москве.

Василий Петренко дирижировал многими ведущими оркестрами России, стран Европы, Японии, Австралии, США. Участвовал в престижных фестивалях в Эдинбурге, Графенегге, Лондоне (BBC Proms), Аспене, Кливленде (Blossom Music Festival), Чикаго (Ravinia) и др.

С 2004 года дирижер сотрудничает также с такими оперными театрами, как Гамбургская опера («Пиковая дама» Чайковского), нидерландская Reisopera («Виллисы» Пуччини, «Двое Фоскари» Верди, «Борис Годунов» Мусоргского), Парижская опера («Евгений Онегин» Чайковского), Опера Цюриха («Кармен» Бизе, «Леди Макбет Мценского уезда» Шостаковича), Баварская государственная опера («Борис Годунов» Мусоргского), Метрополитен-опера («Пиковая дама» Чайковского) и другими. В 2010 году дебютировал на Глайндборнском оперном фестивале («Макбет» Верди). В Михайловском театре (в 2011–2015 гг. – главный приглашенный дирижер) поставил оперы «Богема» Пуччини, «Летучий голландец» Вагнера, «Кармен» и «Евгений Онегин». С английскими оркестрами осуществил исполнения опер «Тоска» Пуччини, «Парсифаль» и «Летучий голландец» Вагнера, «Фальстаф» Верди. В репертуаре дирижера – свыше 30 опер.

Постоянно расширяется дискография дирижера. Среди его записей с Королевским филармоническим оркестром Ливерпуля – альбом с операми «Скрипка Ротшильда» Флейшмана и «Игроки» Шостаковича; симфонические произведения Рахманинова (за Вторую и Третью симфонии маэстро был удостоен немецкой премии ECHO Klassik в 2012 г.) и все его фортепианные концерты (солист – Симон Трпчески); концерты и все симфонии Чайковского (запись симфонии «Манфред» удостоена Gramophone Award в 2009 г.). В 2015 г. вышло полное собрание симфоний Шостаковича, снискавшее международное признание. В 2017 году их дополнили записи фортепианных концертов композитора.

С Филармоническим оркестром Осло Петренко записал виолончельные концерты Шостаковича (солист – Трульс Мёрк), Скрипичный концерт Шимановского (солистка – Байба Скриде). В 2016 году вышел альбом с записью музыки балета «Ромео и Джульетта» Прокофьева. Релизы 2017–2019 гг. включают произведения Элгара, Стравинского и Римского-Корсакова, записанные с Королевским филармоническим оркестром Ливерпуля, и сочинения Скрябина с Филармоническим оркестром Осло. Среди релизов 2020–2021 гг. – записи симфонических поэм Р. Штрауса, симфоний Прокофьева и Мясковского с Филармоническим оркестром Осло, а также произведений Стравинского и Цемлинского с Королевским филармоническим оркестром Ливерпуля.

В 2007 году Василий Петренко получил награду журнала Gramophone как «Лучший молодой артист года», в 2017-м ему вновь вручили эту премию – в категории «Артист года». В 2010 году он был назван «Артистом года» на церемонии вручения премии Classical Brit Awards. В 2021 г. стал обладателем премии BraVo в номинации «Дирижёр года». Петренко стал вторым в истории человеком, которому присудили почетную докторскую степень сразу два ливерпульских вуза – Ливерпульский университет и Ливерпульский университет Хоуп. Музыкант удостоен также звания Почетного члена Университета Джона Мура и звания «Почетный гражданин Ливерпуля».

Помимо концертов с Госоркестром России имени Е.Ф.Светланова и Королевским филармоническим оркестром в Лондоне, запланировано множество выступлений Василия Петренко с ведущими оркестрами мира, среди которых Оркестр Датского радио, Оркестр Голландского радио, Симфонический оркестр Монреаля, Симфонический оркестр Новой Зеландии, Филармонический оркестр Гонконга, Оркестр NHK (Токио), Национальный оркестр Франции, Филармонический оркестр Дрездена, Израильский филармонический оркестр.