В Военно-морском флоте с 1961 года. С августа 1961 года по июнь 1962 года проходил срочную службу кандидатом в курсанты на Черноморском флоте. В июне 1967 года окончил Севастопольское высшее военно-морское инженерное училище, после чего проходил службу на атомных подводных лодках Краснознамённого Северного флота.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 21 декабря 1982 года «за успешное выполнение специального задания командования и проявленные при этом мужество и отвагу» капитану 1-го ранга Осипенко Петру Дмитриевичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 11488).