Игорь Петренко родился 23 августа 1977 года в городе Потсдам (ГДР) в семье русского военного. Его отец был подполковником, а помимо военной службы ещё и кандидатом химических наук. Мать Игоря по профессии - переводчица с английского языка. Когда Игорю исполнилось три года, его семья переехала в Москву.
В детстве главными увлечениями Игоря были спорт - спортивная гимнастика, самбо и дзюдо, среди школьных предметов любимым был английский язык.
Ещё будучи несовершеннолетним, в 1992 году был замешан в убийстве, вскоре после чего арестован. Около года Игорь Петренко провёл в следственном изоляторе «Матросская тишина», а потом был отпущен на свободу до суда. В 1997 году суд приговорил Петренко к 8 годам лишения свободы, и счёл возможным не приводить приговор в исполнение, а назначить наказание условно с испытательным сроком три года.
Юноша долгое время не мог определиться с выбором профессии и даже после окончания школы не мог принять этого решения. По воле случая Игорь попал в Щепкинское училище и решил испытать себя, узнав о наборе студентов. Однако именно ему удалось пройти огромный конкурсный отбор в это учебное заведение.
В 2000 году окончил Высшее театральное училище им. М. С. Щепкина и был принят в труппу Малого театра. Через некоторое время, из-за постоянных съёмок из Малого театра пришлось уйти. В том же 2000-м году состоялся кинодебют Игоря Петренко в фильме Ильдара Исламгулова. Однако ни роль, ни кинокартина не стали успешными. Следующий актёрский опыт Игоря был более удачным, ему принесла популярность роль в сериале «Московские окна» Александра Аравина. Настоящую славу Петренко удалось заполучить после выхода фильма Николая Лебедева «Звезда». Благодаря этому фильму актёр получил премию «Ника» в номинации «Открытие 2003 года».
К актёрским работам Игоря Петренко относится также участие в сериалах «Лучший город земли», «Курсанты», в фильме «Кармен». Одну из самых ярких и узнаваемых ролей Петренко принес фильм «Водитель для Веры».
За свои заслуги актёр в 2003 году был награждён Президентской премией, а в 2004 году получил награду «Триумф» как лучший молодой актёр.
В 2011 году стало известно о том, что Игорь Петренко станет исполнителем роли Шерлока Холмса в новом сериале по мотивам произведений Конана Дойла.
Был женат на актрисе Ирине Леоновой (22 августа 1978). С ней Игорь познакомился ещё во время учёбы в театральном училище, они поженились сразу после окончания обучения в 2000 году. С 2004 года женат на актрисе Екатерине Климовой, воспитывают троих детей: дочь Лизу (от первого брака Екатерины Климовой) и общих сыновей Матвея Петренко и Корнея Петренко. Со второй избранницей Игорь познакомился на съемках сериала «Московские окна», когда ещё состоял в браке с Ириной Леоновой. С ней отношения распались, и сразу после этого Игорь сделал предложение Екатерине.
антреприза «Ленинградский романс»