Пётр Логинович родился 11 июня 1905 года в в селе Хустянка (ныне Сумская область Украины) семье крестьянина. С 1913 проживал в Ставропольском крае, в селе Благодатное. В 1927 в рядах Красной Армии, с 1928 член ВКП(б), через год оканчивает Орджоникидзевское военное пехотное училище, до 1939 — в пограничных войсках. В 1941 окончил Военную академию имени Фрунзе.
С июля 1941 Романенко сражался на Ленинградском фронте, начал войну начальником разведки 128-й СД, затем командир батальона, полка, начальник штаба и заместитель командира дивизии. Участвовал в оборонительных боях в районе Мги, Синявино, на южном берегу Ладоги. После прорыва блокады назначен командиром 73-й морской стрелковой бригады.
В ноябре 1943, будучи в звании полковника, принимает командование 131-й стрелковой дивизией в процессе её передислокации на ораниенбаумский плацдарм. С 14 января 131-я стрелковая дивизия под командованием Романенко в составе 2-й ударной армии Федюнинского участвует в операции «Январский гром», и 19 января отличается при взятии Ропши. За успешное взятие Ропши Пётр Логинович Романенко удостоен звания Героя Советского Союза и медали Золотая Звезда (№ 3133), а его дивизия награждена орденом Красного Знамени и получила почётное наименование «Ропшинская».
После Красносельско-Ропшинской операции участвует в освобождении Нарвы (освобождена 26 июля 1944) и заканчивает боевой путь на островах Эстонской ССР.
После войны продолжает армейскую службу и в 1948 заканчивает Военную академию имени М. В. Фрунзе. Работал заместитель начальника высших офицерских курсов «Выстрел». В 1961 в звании генерал-лейтенанта уходит в запас.
Скончался в Москве в 1985, похоронен на Кунцевском кладбище.
Именем Романенко названа одна из улиц в Ропше, он также является почётным гражданином города Нарва.