Романенко Прокофий Логвинович присоединился к Красной Армии в 1918 году. Он прошел ряд обучающих курсов, включая курсы усовершенствования начсостава (1925 г.), курсы усовершенствования высшего комсостава (1930 г.), Военную академию им. М. В. Фрунзе (1933 г.) и Высшую Военную академию им. К. Е. Ворошилова (1948 г.).
В Гражданскую войну П. Л. Романенко командовал партизанским отрядом, принимал участие в борьбе с белогвардейцами на Южном и Западном фронтах, служил командиром эскадрона, полка и помощником командира кавалерийской бригады. В межвоенный период он командовал кавалерийским полком и с 1937 года — механизированной бригадой. Участвовал в испанской гражданской войне 1936-1939 гг. и был удостоен ордена Ленина за героизм и отвагу.
В 1938 году он стал командиром 7-го механизированного корпуса и участвовал в советско-финляндской войне 1939-1940 гг. С мая 1940 года он стал командиром 34-й стрелковой дивизии, а затем 1-го механизированного корпуса. С мая 1941 года он командовал 17-й армией Забайкальского фронта.
В начале Великой Отечественной войны П. Л. Романенко продолжал свою службу в том же звании. С мая 1942 года он командовал 3-й танковой армией, а затем стал заместителем командующего войсками Брянского фронта (сентябрь-ноябрь 1942 г.). С ноября 1942 года он стал командующим 5-й танковой армией, сформированной на базе 3-й резервной армии Брянского фронта.
В середине февраля 1943 года 5-я танковая армия под командованием П. Л. Романенко была включена в состав Центрального фронта и приняла участие в наступательной операции на брянском направлении. В январе-феврале 1943 года он командовал 2-й танковой армией, затем 48-й армией Брянского фронта, участвуя в наступлении в направлении Малоархангельска. В марте армия была включена в состав Центрального фронта и участвовала в Курской битве, освобождении Левобережной Украины и юго-западных частей Брянской области.
Продолжая наступление на гомельском направлении, войска армии под командованием П. Л. Романенко взаимодействовали с 65-й и 61-й армиями. К 10 октября полностью освободили левый берег реки Сож и, форсировав ее южнее города Гомель, начали бои за сам город. В последующем войска армии продолжали борьбу за расширение и удержание плацдарма на правом берегу реки Сож. С 10 ноября участвовали в Гомельско-Речицкой, Бобруйской наступательных операциях и освобождении городов Гомель, Жлобин, Бобруйск, Слоним и др.
В этих операциях проявились высокие военные качества П. Л. Романенко, его твердость характера, личное мужество и умение эффективно управлять войсками в сложных оперативных условиях. После войны П. Л. Романенко занял должность командующего войсками Восточно-Сибирского военного округа.
Награжден 2 орденами Ленина, 4 орденами Красного Знамени, 2 орденами Суворова 1 ст., 2 орденами Кутузова 1ст., медалями, а также иностранным орденом.
Умер после длительной тяжёлой болезни 10 марта 1949 года.
