Родился в крестьянской семье. Украинец. С 1922 — член бюро комсомольской ячейки в родном селе. С 1923 работал в железнодорожном депо в Юзовке (с 1924 — Сталино, с 1961 — Донецк), с 1925 был помощником машиниста. В 1926 — недолго был политруком в 1-й трудовой школе и в детгородке для несовершеннолетних правонарушителей. В 1926—1927 — секретарь Селидовского сельского райкома комсомола. В 1927—1929 — секретарь комитета комсомола транспортного комбината.
В 1929—1931 учился в Харьковском технологическом институте. В 1931 переведён в Военно-техническую академию в Ленинграде, а после перемещения её факультета в следующем году — в Военно-инженерную академию в Москве, которую окончил в 1934. Окончил также Академию Генерального штаба в 1939. Кандидат военных наук (1949). В 1961 подготовил докторскую диссертацию, защита которой не состоялась из-за увольнения П. Г. Григоренко из Военной академии им. М. В. Фрунзе по политическим мотивам.
В 1934—1936 годах — начальник штаба отдельного сапёрного батальона в Западном особом военном округе. В этом качестве по приказу начальства руководил разрушением трёх православных храмов, но вскоре отказался от такой деятельности. Позднее вспоминал об этих событиях с чувством глубокого сожаления:
В 1936—1937 годах — командир 52-го отдельного инженерного батальона Минского укрепрайона (УР). В 1937 — начальник инженеров Минского УР. Многие его сослуживцы были репрессированы, сам он избежал репрессий, так как в том же году был направлен в Москву учиться в Академию Генерального штаба.
Будучи на II курсе академии, написал письмо секретарю ЦК Андрееву, в котором, требуя повысить качество обучения в Академии Генерального Штаба, в то же время обвинял преподавателей в восхвалении врагов народа и преуменьшении роли Сталина в Гражданской войне. Письмо заканчивалось предложениями перестроить учебный план и программы академии, создать марксистский учебник по военной истории, "добиться от руководителей академии настоящего большевистского руководства делом подготовки высококвалифицированных кадров".
В 1938 году добился приема у генерального прокурора А. Я. Вышинского, на котором рассказал о злоупотреблениях представителей органов НКВД в Запорожье — информацию ему предоставил брат Иван, который был арестован по политическим обвинениям, но затем освобождён. После этого разговора ряд организаторов репрессий в Запорожье были сами арестованы. Позднее писал:
В 1939 служил офицером Генштаба в управлении фронтовой группы во время боёв на Халхин-Голе. Был ранен во время миномётного обстрела. Затем — офицер в штабе 1-й Отдельной Краснознамённой Дальневосточной армии (ОКДВА), с 1940 — Дальневосточного фронта. В 1942—1943 — командир 18-й отдельной стрелковой бригады.
С декабря 1943 — на советско-германском фронте, был заместителем начальника штаба 10-й гвардейской армии (2-й Прибалтийский фронт). В феврале 1944 тяжело ранен и отправлен на лечение. С августа 1944 — начальник штаба 8-й стрелковой дивизии (4-й Украинский фронт), участвовал в боях в Карпатах. С февраля 1945 — полковник. Свое участие в войне Григоренко отразил в автобиографическом романе «В подполье можно встретить только крыс». В этом романе Григоренко критикует маршала Жукова за большие потери, грубость, необоснованные расстрелы советских офицеров и сокрытие исторической правды.
Из служебных характеристик:
В 1945—1961 работал в Военной академии имени М. В. Фрунзе:
В 1958—1960 руководил авторским коллективом основного теоретического труда академии «Общевойсковой бой». Был автором более чем 60 военно-научных работ.
Был одним из инициаторов создания в академии кафедры военной кибернетики:
7 сентября 1961 года Григоренко выступил на партконференции Ленинского района Москвы с речью, в которой заявил: «Мы одобряем проект программы, в которой осуждён культ личности, но возникает вопрос: всё ли делается, чтобы культ личности не повторился» (намёк в адрес тогдашнего руководителя советского государства Н. С. Хрущёва). Предложил «усилить демократизацию выборов и широкую сменяемость, ответственность перед избирателями. Изжить все условия, порождающие нарушение ленинских принципов и норм, в частности, высокие оклады, несменяемость. Бороться за чистоту рядов партии». Выступление генерала Григоренко было признано «ошибочным», сам он лишён мандата участника конференции. После этого Григоренко написал открытое письмо к московским избирателям, в котором критиковал «неразумную и часто вредную деятельность Хрущёва и его окружения», за что был незамедлительно уволен из академии и переведён с понижением на Дальний восток.
В 1962—1964 — начальник оперативного отдела штаба 5-й армии (Дальневосточный военный округ). Осенью 1963 года создал «Союз борьбы за возрождение ленинизма», в который вошли 13 человек. «Союз» выпускал и распространял листовки с критикой советской бюрократии и официальных профсоюзов. В своих листовках Григоренко выступал «за возврат к ленинским принципам», «за отстранение от власти бюрократов и держиморд, за свободные выборы, за контроль народа над властями и за сменяемость всех должностных лиц, до высших включительно».
1 февраля 1964 года Григоренко вместе с сыновьями, составлявшими основу «Союза» (их у него было пять, двое умерли в молодости), был арестован и 12 марта доставлен в Институт им. Сербского на судебно-психиатрическую экспертизу, которая проводилась под председательством Андрея Снежневского. 19 апреля 1964 года по результатам экспертизы Григоренко был признан невменяемым и переведён в Лефортовскую тюрьму, где содержался до 14 августа 1964 года. За это время 17 июня 1964 года Военная коллегия Верховного Суда СССР в закрытом режиме и в отсутствии подсудимого рассмотрела дело Григоренко. По решению суда Григоренко был признан душевнобольным, лишён воинских званий и 14 августа 1964 года этапирован в Ленинградскую специальную психиатрическую больницу. Весной 1965 года, вскоре после отставки Н. С. Хрущёва, Григоренко был освобождён, но не восстановлен в воинском звании. Чтобы прокормить семью, был вынужден работать швейцаром, грузчиком в овощном магазине.
Написал известную самиздатскую работу о первых месяцах войны и ответственности Сталина за трагедию поражений того времени (в связи с обсуждением книги историка А.М. Некрича «22 июня 1941 года»). Отмечал, что
В 1967 встречался со студентами МГУ, в неофициальном порядке читал им лекции по истории Великой Отечественной войны. Резко осудил вторжение советских войск в Чехословакию в 1968.
После первого опыта создания «Союза борьбы за возрождение ленинизма» разочаровался в подпольных методах борьбы, был сторонником активной и гласной общественной деятельности диссидентов, заявляя:
(эта фраза стала названием его книги воспоминаний ).
Решительно поддержал национальное движение крымско-татарского народа, способствовал его активизации. 17 марта 1967 выступил перед представителями крымско-татарской общины, проанализировав причины их неудач в борьбе за возвращение на родину в Крым:
7 мая 1969 во время поездки в Ташкент на процесс крымских татар был арестован и помещён в специальную психиатрическую больницу. Экспертиза в Ташкенте закончилась выводом: «Признаков психического заболевания не проявляет в настоящее время, как не проявил их в период совершения инкриминируемых ему преступлений. Вменяем. В стационарном лечении не нуждается». Новая экспертиза, состоявшаяся в Москве в Институте им. Сербского сделала вывод о том, что он: «страдает психическим заболеванием в форме патологического (паранойяльного) развития личности с наличием идей реформаторства». Был вновь помещён в психиатрическую больницу на принудительное лечение, находился в Черняховской специальной психиатрической больнице.
13 мая 1970 г. к Генеральному прокурору СССР Р.А. Руденко с «Жалобой в порядке надзора» на определение Ташкентского горсуда и Верховного суда УзССР по делу Григоренко обратились M.A.Леонтович, А.Д. Сахаров, В.Ф. Турчин и В.Н. Чалидзе , однако не имеется сведений о том что прокурор как-то отреагировал на это письмо.
В 1971 в самиздате появилась заочная экспертиза, доказывающая факт психического здоровья Григоренко (впоследствии этот вывод подтверждён видными американскими психиатрами Аланом А. Стоуном и Уолтером Райчем). Автором экспертизы был молодой врач-психиатр Семён Глузман, в 1972 году арестованный и осуждённый на 7 лет заключения и 3 года ссылки (формально — по другому обвинению).
В 1974 под давлением широкой международной кампании протестов освобождён, продолжил диссидентскую деятельность. В 1976 стал членом Московской Хельсинкской группы, был одним из членов-основателей Украинской Хельсинкской группы, затем её представителем в Москве.
17 декабря 1976 года, совместно с другими правозащитниками, Григоренко подписал открытое письмо в защиту Владимира Буковского от клеветы на страницах Литературной Газеты.
В конце 1977 выехал с женой в США для операции и свидания с ранее эмигрировавшим сыном. Через несколько месяцев был лишён гражданства и тем самым права возвращения в СССР. В последующие годы он продолжал принимать активное участие в общественной жизни, а также написал книгу воспоминаний.
Во время эмиграции на предложение работы в качестве преподавателя в военной академии Вест-Пойнт ответил отказом:
Находясь в США, Григоренко обратился с письменным заявлением к руководству Американской психиатрической ассоциации (АПА), в котором просил освидетельствовать его психическое состояние. Многочасовое освидетельствование Григоренко, вопросы врачей и ответы испытуемого были зафиксированы видеокамерой; авторитетные психиатры США не обнаружили у Григоренко каких бы то ни было следов психической болезни.
В 1997 году президент России Б. Н. Ельцин подписал указ «Об увековечении памяти Григоренко П. Г.». Бывший помощник президента Михаил Краснов позднее вспоминал: «Я помню, с каким трудом приходилось пробивать указ о 100-летии юбилея генерала, правозащитника Григоренко, и как в правительстве чиновники, куда послали согласовывать этот проект указа, ответили, что генерал Григоренко так же разрушал армию, как это делает генерал Рохлин» (на самом деле, речь шла о 90-летнем юбилее).
17 октября 1997 года президент Украины Л. Д. Кучма издал указ о награждении Петра Григорьевича Григоренко орденом «За мужество» первой степени (посмертно) «за мужество и самопожертвование, за участие в правозащитном движении». В Киеве именем Петра Григоренко назван проспект, во Львове — площадь.
Имя генерала Григоренко пользуется глубоким уважением в среде крымских татар. 17 мая 1999 года в центре Симферополя на Советской площади по инициативе крымско-татарского меджлиса без разрешения городских властей был торжественно открыт памятник генералу Григоренко. Бронзовый бюст на постаменте изготовил и оплатил внучатый племянник генерала Александр Григоренко. Позднее статус памятника был легитимирован, более того, в 2004 году Симферопольский горсовет принял решение переименовать территорию вокруг бюста в сквер имени Григоренко.