Марина Петренко начала актёрскую карьеру в 2002 году с фильма «Молитва за гетмана Мазепу» в возрасте четырнадцати лет. В 2007 году поступила в Школу-студию МХАТ на курс Романа Козака и Дмитрия Брусникина, а в 2011 году получила диплом и стала актрисой Театра Моссовета.

В её фильмографии более 40 ролей в театре и кино, включая заметные работы в фильмах «Дикари» (2006) и «На игре» (2009), где были сцены с обнажённым телом актрисы. После диплома она продолжила активно сниматься и играть на сцене.