С началом войны капитан Романенко был досрочно выпущен и до 1 июля 1941 года временно исполнял должность начальника штаба 9-го стрелкового полка в Москве. Затем был направлен в город Ефремов на формирование 280-й стрелковой дивизии, по прибытии вступил в должность начальника штаба 1035-го стрелкового полка. В конце августа 1941 года дивизия вошла в состав 3-й армии Брянского фронта и вела тяжелые оборонительные бои на реке Десна севернее города Почеп. В начале октября в ходе начавшейся Орловско-Брянской оборонительной операции она попала в окружение. По выходу к своим войскам в конце октября она была расформирована, а Романенко назначен начальником оперативного отделения 137-й стрелковой Краснознаменной дивизии 3-й армии (с 11 ноября — в составе Юго-Западного фронта). 19 ноября южнее Тулы при отражении атак противника Романенко был ранен и эвакуирован в госпиталь. По выздоровлении в феврале 1942 года назначен начальником оперативной части штаба 120-й отдельной стрелковой бригады, формировавшейся в городе Кузнецк. В мае — августе 1942 года бригада в составе 7-го гвардейского стрелкового корпуса 33-й армии Западного фронта находилась в обороне в районе Медынь, затем вела наступательные бои в районе Темкино. В конце августа майор Романенко был переведен на должность начальника штаба 112-й стрелковой бригады.