Carlos Petreñas se formó como medio centro en la prolífica cantera del Athletic Club a comienzos de los años 30. Debutó en la máxima categoría en 1931, de la mano del técnico inglés Frederick Beaconsfield Pentland, y se mantuvo en la primera plantilla durante tres temporadas. Tapado en su puesto por el internacional eibarrés José Muguerza Anitúa, jugó únicamente 11 partidos en Primera División, por lo que en 1934 fichó por el Arenas de Getxo, donde fue titular en 18 de los 22 partidos de Liga con José Planas Artés.

Su cotización había subido vertiginosamente, y fue entonces cuando el Valencia se interesó en su fichaje. Su llegada se demoró y las negociaciones se hicieron eternas, pero finalmente el Arenas, que había descendido a Segunda, aceptó la oferta de 11.000 pesetas por el futbolista ante las grandes críticas de sus aficionados. En Mestalla se mostró como un jugador serio y profesional, de juego más destructivo que creativo pero eficaz al fin y al cabo. El retraso en su contratación provocó que llegara con la Liga empezada, debutando en la sexta jornada frente al Athletic, su primer equipo, y en San Mamés. Pero la mala fortuna se le apareció en forma de grave lesión en febrero de 1936 frente al Racing de Santander, lo que le dejó en el dique seco el resto de la temporada.

Una vez recuperado, el estallido de la Guerra Civil le devolvió a su tierra, donde acabó por retirarse tras jugar en el Barakaldo para convertirse en entrenador. En los años 40 fue técnico del Arenas de Getxo, siendo posteriormente preparador del Deportivo Alavés y el Sestao.