Petrenko var fra 1999 til 2002 sjefdirigent ved Meininger Theater. Han tiltrådte i 2002 stillingen som operasjef (tysk: Generalmusikdirektor) ved Komische Oper Berlin, og var deretter frilans fra 2007. Petrenko startet i 2013 som operasjef ved Bayerische Staatsoper for et åremål på fem år. Han skal tiltre som ny sjefdirigent ved Berlinfilharmonien i 2019.