Село Петренково было основано между 1773 и 1780 годами выходцами из Острогожска и других поселений после ликвидации Острогожского казачьего полка в 1765 году. Название населённого пункта произошло от имени первого переселенца Семёна Петренко. К середине XIX века в слободе насчитывалось 841 ревизская душа, а к началу XX века — около 200 дворов и 1457 жителей.
В 1866 году началось строительство каменной церкви во имя Сошествия Святого Духа, которая была освящена 20 мая 1868 года. Храм представлял собой каменное, холодное, прочное здание с одним престолом. При церкви имелось 33 десятины подцерковной земли и один подцерковный дом. К ней была приписана Спасская церковь слободы Ближней Полубянки. На рубеже XIX–XX веков в приходе насчитывалось 193 двора и 1700 человек.
В советский период храм был закрыт, осквернён и частично разрушен, особенно в послевоенное время. Здание сохранилось в руинированном состоянии и в 1995 году было признано объектом исторического и культурного наследия областного значения (код памятника 3600000430).
В 2013 году по инициативе местных жителей и на средства благотворителя, выходца из села, было принято решение о строительстве нового деревянного храма рядом с разрушенным. 24 октября 2013 года состоялась закладка и освящение камня перед началом строительства. 25 августа 2014 года был освящён крест и купол на строящийся храм. Первая литургия в новом храме была совершена на Светлой седмице 2014 года. Регулярные богослужения начались с 26 апреля 2015 года. 21 января 2017 года состоялось великое освящение нового храма, под престол которого были вложены мощи священномучеников Александра Смирнова и Фёдора Ремизова.
