На концертной сцене исполняет «Песни и пляски смерти» Мусоргского, сольные партии в Реквиеме Верди, Симфонии № 9 Бетховена, «Иване Грозном» Прокофьева, Симфонии № 14 Шостаковича, драматической симфонии «Ромео и Джульетта» Берлиоза, «Четыре песни Дон Кихота» Жака Ибера (балет «Неистовые танцы»).
Также в репертуаре: Синяя Борода («Замок герцога Синяя Борода»), Лоренцо («Ромео и Джульетта»), дон Базилио («Севильский цирюльник»), Дулькамара («Любовный напиток») и другие партии.
Среди ангажементов певца – выступления в Метрополитен-опере (Орест в «Электре»), в Берлинской государственной опере (Лепорелло в «Дон Жуане»), в Ла Скала (Иван Хованский в «Хованщине»), в Парижской филармонии («Золото Рейна» и «Валькирия», гастроли Мариинского театра), в Большом театре Женевы (заглавная партия в «Борисе Годунове»), в Большом театре России (Руслан в «Руслане и Людмиле»).
Михаил Петренко в разное время сотрудничал с такими выдающимися дирижерами, как Валерий Гергиев, сэр Саймон Рэттл, Даниэль Баренбойм, Пьер Булез, Кристоф Эшенбах, Зубин Мета, Лорин Маазель.