Когда ему было 27 лет, он был призван на войну Шебекинским районным военным комиссариатом.

 Свой боевой путь он прошёл от Харькова до Вены на должности автомеханика взвода технического обеспечения 99-го отделения Механизированного Николаевского корпуса. Петренко принимал участие в боевых действиях по защите СССР на Северокавказском фронте в 1942 году, Южном фронте и 4 Украинском фронте – в 1943, 2 и 3 Украинском фронте – в 1944.

 При выполнении задания по доставке горючего, машина Николая Ивановича была повреждена осколками разорвавшейся бомбы противника. Смелыми и решительными действиями, автомеханик Петренко в кратчайший срок вывел машину из-под удара авиации немецкой армии, он также сумел восстановить пострадавший от огня противника бронетранспортер. Вместе с ремонтниками восстановил два бронетранспортёра и три бронемашины.  За боевые подвиги и заслуги Николай Иванович был награждён медалью «За отвагу».

Победу Петренко встретил в день своего рождения 9 мая в Венгрии.