В июле 1941 года капитан П. Л. Романенко направлен в действующую армию начальником 2-го (разведывательного) отделения штаба 128-й стрелковой дивизии 27-й армии Северо-Западного фронта, затем в составе дивизии сражался в Новгородской армейской оперативной группе и в 48-й армии Ленинградском фронте, в сентябре дивизия передана в 54-ю армию. Участвовал в Ленинградской оборонительной, первой Синявинской (1941), второй Синявинской (1941), Тихвинской и Любанской наступательных операциях. В декабре 1941 года Романенко назначен начальником 1-го (оперативного) отделения штаба этой дивизии, в январе 1942 — заместителем начальника штаба, в марте — начальником штаба дивизии, которая в январе 1942 года была передана в 8-ю армию и участвовала в Синявинской операции 1942 года. В ноябре 1942 года выросший к тому времени в званиях до полковника П. Романенко назначен заместителем командира дивизии. Участвовал в январе 1943 года в операции «Искра» по прорыву блокады Ленинграда.