Он выполнял боевую задачу по наведению ударов российских самолётов в районе населённого пункта Тадмор (провинция Хомс, Сирия) по позициям боевиков «Исламского государства». В ходе операции был обнаружен боевиками. Принял неравный бой в одиночку против значительного количества боевиков и не желая попасть в плен, вызвал огонь на себя. Погиб вместе с окружившими его боевиками.

Указом Президента Российской Федерации от 11 апреля 2016 года за мужество и героизм, проявленные при исполнении воинского долга, старшему лейтенанту Прохоренко Александру Александровичу присвоено звание Героя Российской Федерации (посмертно).