В 1945—1961 работал в Военной академии имени М. В. Фрунзе:

С 1945 — старший преподаватель кафедры общей тактики;

С 1949 — заместитель начальника научно-исследовательского отдела (НИО);

С 1952 — начальник научно-исследовательского отдела;

С 1959 — начальник вновь созданной кафедры военной кибернетики.

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:

Ещё в 1953-ем году я впервые услышал о работах Винера по исследованию операций в вооружённых силах. И хотя кибернетика была объявлена «буржуазной лженаукой», я направил часть сил НИО на изучение всего, связанного с этой «лженаукой». Было создано переводческое бюро, получившее указание прежде всего реферировать работы по кибернетике и исследованию операций. Лично я установил связь с академиками Акселем Ивановичем Бергом и Колмогоровым. Стал набираться конкретных знаний. Помогало нам и главное разведывательное управление генерального штаба. В общем, НИО взял это направление и вёл его, постепенно накопляя все больше данных, пока не подвёл дело к созданию в 1959-ом году 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

накануне войны войска западных приграничных военных округов, незначительно уступая по численности вероятной армии вторжения противника, в военно-техническом отношении были значительно сильнее её. Но — квалифицированные командные кадры были изъяты из армии почти полностью и подвергнуты репрессиям различной степени. На их место пришли в большинстве люди малоквалифицированные и просто в военном отношении неграмотные, зачастую — абсолютные бездарности. Авторитет командного состава в связи с этим, а также вследствие психоза борьбы с «врагами народа», резко снизился, дисциплина пришла в упадок.

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:

Власть, родившаяся в подполье и вышедшая из него, любит в темноте творить свои чёрные дела. Мы же стремимся вынести их на свет, облучить их светом правды. Власть, стремясь уйти из-под света, изображает наши действия, как нелегальные, подпольные, пытается загнать нас в подполье. Но мы твёрдо знаем, что В ПОДПОЛЬЕ МОЖНО ВСТРЕТИТЬ ТОЛЬКО КРЫС

(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:

Нам думается, что главная причина этого заключается в том, что вы недооцениваете своего врага. Вы думаете, что вам приходится общаться только с честными людьми. А это не так. То, что сделано с вашим народом, делал не один Сталин. И его соучастники не только живы, но и занимают ответственные посты. А вы обращаетесь к руководству партии и правительства со смиренными письменными просьбами. А так как просят лишь о том, на что безусловного права не имеется, то ваш вопрос преподносится тем, кто его решает, как вопрос сомнительный, спорный. Ваше дело обволакивается не имеющими к нему отношения суждениями. Чтобы покончить с этим ненормальным положением, вам надо твёрдо усвоить — то, что положено по праву, не просят, а требуют! Начинайте требовать. И требуйте не части, не кусочка, а всего, что у вас было незаконно отнято — восстановления Крымской Автономной Советской Социалистической Республики!.

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 [4], 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:

«Я не могу преподавать своему врагу: я советский — бывший советский — генерал».

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.