Военачальник, генерал-полковник (1944). В РККА с 1918 г. В годы Гражданской войны командовал партизанским отрядом, эскадроном, полком, был помощником командира кавалерийской бригады. После войны командовал кавалерийским полком, механизированной бригадой. Участник Гражданской войны в Испании,
Советско-финской войны. В годы Великой Отечественной войны командовал 17-й армией, 3-й, 5-й и 2-й танковыми, 48-й армией.
Войска этих армий принимали участие в Ржевско-Сычёвской операции, в Сталинградской и Курской битвах, в Белорусской операции; отличились при овладении городами Новгород-Северокий, Речица, Гомель, Жлобин, Бобруйск, Слоним, а также при прорыве сильно укреплённой обороны на бобруйском направлении и форсировании р. Щара. После войны П.Л. Романенко был командующим войсками Восточно-Сибирского военного округа. Имеет государственные награды.
Скончался П.Л. Романенко 10 марта 1949 года, похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (4 уч. 18 ряд).
