Після закінчення реального училища Михайло Дмитренко навчався у Київській художньо-індустріальній профшколі, потім – на факультеті малярства Київського художнього інституту в Федора Кричевського. Отримавши диплом у 1930 році, працював на Донбасі та в Києві художником театру, а пізніше – асистентом кафедри малярства та доцентом кафедри рисунка на архітектурному факультеті КХІ.
1939 року очолив Львівське відділення Спілки художників. Під час війни був одним із організаторів Спілки праці українських образотворчих митців, організував ряд виставок. У 1944-му емігрував до Німеччини, працював у галузі станкового малярства та книжкової графіки, став одним із ініціаторів видання журналу "Українське мистецтво".
1951 року митець переїхав до Канади, працював  як маляр і графік у Торонто, а згодом – у Віндзорі. З 1960 року оселився у Детройті (США), був членом редколегії журналу "Нотатки з мистецтва".  Працював як майстер сакрального мистецтва. В основному замовники його ікон, фресок, мозаїки – це українські православні та греко-католицькі церкви.
Ім'я Михайла Дмитренка можна знайти в щорічному календарі "Українці в світовій цивілізації", що його видає Київське університетське видавництво "Пульсари", поряд із іменами визначного економіста Михайла Івановича Тугана-Барановського (він, до речі, також певний час жив на лохвицькій землі й мав тут свій маєток), митців Миколи Бутовича, Віктора Цимбала та Олександра Богомазова,  політолога Анатоля Камінського, економіста Веніаміна Сікори, майстра балету Сержа Лифара, конструктора Архипа Люльки, письменника Леопольда фон Захер-Мазоха.
Інший визначний лохвичанин, який нині живе у Львові, Микола Євгенович Петренко, у своїй книзі "Зболені стигми" (Львів, 2005) схвильовано пише: "…читав спогади про мого земляка, художника Михайла Дмитренка, він на американській землі для наших земляків оздоблював десятки храмів, тож звичайна людина у повсякденні ставала на виконання робіт наче б Божим слугою. Це ще від часу оформлення першої у його творчій біографії церкви: ще в 1942 році в Городку, з благословення самого митрополита Шептицького…"
У своїй статті в газеті "Час" від 17 – 23 квітня 1997 року професор Української академії мистецтва Віра Кулеба-Баринова пише, що "ще за козацької доби в Лохвиці було збудовано чимало церков. Мати Михайла Дмитренка деякий час харчувала старого петербурзького маляра, який працював у одному із лохвицьких соборів. Саме тоді шестирічний Михайлик запалився образом Пречистої Діви Марії, побаченим у нотатнику старого художника. Один із його перших лохвицьких учителів малювання сказав якось: "Вам не треба йти ні до кого по науку. Ви маєте вже все своє…" І все ж 16-річним юнаком він подався до Києва…"
28 лютого 1982 року в Детройті на заході з нагоди вшанування 50-ліття мистецької діяльності Михайла Дмитренка відомий графік, живописець Петро Мегик, зокрема, зазначав, що "… в його творчості з ділянки релігійного й церковного мистецтва виявилося стільки знання, одуховлення, що не можна надивуватися. Постали прекрасні, виповнені глибокою релігійною красотою твори, що з цього нам всім треба радіти… Вся творчість Михайла Дмитренка виходить із глибокої віри в українську культуру…"
9 листопада виповнюється 102-га річниця від дня народження Михайла Сергійовича Дмитренка. На його батьківщині, в Лохвиці, на центральній вулиці встановлена на його честь пам'ятна дошка. Два роки тому вона з'явилася за ініціативою й коштами автора цих рядків, щоб нагадувати землякам про митця, який, попри будь-які життєві обставини, ніколи не дозволяв собі творчих поразок.