1992 и 1993 годы были одними из самых удачных в спортивной карьере Петренко. В составе объединенной команды на XVI зимних Олимпийских играх в Альбервиле]] он стал чемпионом, сыграв в турнире 8 матчей и забив 3 шайбы. В 1992 году ему было присвоено звание Заслуженный мастер спорта. В том же 1992 году был приглашён в сборную России. На чемпионате мира в Чехословакии сборная России заняла только пятое место, а Сергей Анатольевич в 6 проведённых матчах забросил одну шайбу. Однако уже на следующем чемпионате мира в Германии Петренко стал чемпионом мира. Всего участвовал в пяти чемпионатах мира (1992, 1993, 1997, 1998 и 1999). В 26 матчах он забросил 7 шайб.