Иннокентий Фёдорович Анненский родился 20 августа (1 сентября) 1855 года в Омске, в семье государственного чиновника Фёдора Николаевича Анненского (умер 27 марта 1880 года) и Наталии Петровны Анненской (умерла 25 октября 1889 года). Его отец был начальником отделения Главного управления Западной Сибири. Когда Иннокентию было около пяти лет, отец получил место чиновника по особым поручениям в Министерстве внутренних дел, и семья из Сибири вернулась в Петербург, который ранее покинула в 1849 году.
Слабый здоровьем, Анненский учился в частной школе, затем — во 2-й петербургской прогимназии (1865—1868). С 1869 года он два с половиной года обучался в частной гимназии В. И. Беренса. Перед поступлением в университет, в 1875 году он жил у своего старшего брата Николая, энциклопедически образованного человека, экономиста, народника, помогавшего младшему брату при подготовке к экзамену и оказывавшего на Иннокентия большое влияние.
По окончании в 1879 году историко-филологического факультета Петербургского университета служил преподавателем древних языков и русской словесности. Был директором коллегии Галагана в Киеве, затем VIII гимназии в Санкт-Петербурге и гимназии в Царском Селе. Чрезмерная мягкость, проявленная им, по мнению начальства, в тревожное время 1905—1906 годов, была причиной его удаления с этой должности. В 1906 году он был переведён в Санкт-Петербург окружным инспектором и оставался в этой должности до 1909 года, когда он незадолго до своей смерти вышел в отставку. Читал лекции по древнегреческой литературе на Высших женских курсах. В печати выступил с начала 1880-х годов научными рецензиями, критическими статьями и статьями по педагогическим вопросам. С начала 1890-х годов занялся изучением греческих трагиков; выполнил в течение ряда лет огромную работу по переводу на русский язык и комментированию всего театра Еврипида. Одновременно написал несколько оригинальных трагедий на еврипидовские сюжеты и «вакхическую драму» «Фамира-кифарэд» (шла в сезон 1916—1917 на сцене Камерного театра). Переводил французских поэтов-символистов (Бодлер, Верлен, Рембо, Малларме, Корбьер, А. де Ренье, Ф. Жамм и др.).
30 ноября (13 декабря) 1909 года Анненский скоропостижно скончался на ступеньках Царскосельского вокзала в Санкт-Петербурге. Похоронен на Казанском кладбище.
Сын Анненского, филолог и поэт Валентин Анненский-Кривич, издал его «Посмертные стихи» (1923).
Более всего значителен Анненский как поэт. Стихи начал писать с детства, но напечатал их впервые в 1904. «Интеллигентным бытием» своим Анненский, по его собственным словам, был всецело обязан влиянию старшего брата, известного публициста-народника Н. Ф. Анненского, и его жены, сестры революционера Ткачёва. В своей поэзии Анненский, как он сам говорит, стремился выразить «городскую, отчасти каменную, музейную душу», которую «пытали Достоевским», «больную и чуткую душу наших дней». Мир «больной души» — основная стихия творчества Анненского. По справедливым указаниям критики, «ничто не удавалось в стихах Анненского так ярко, так убедительно, как описание кошмаров и бессонниц»; «для выражения мучительного упадка духа он находил тысячи оттенков. Он всячески изназвал изгибы своей неврастении». Безысходная тоска жизни и ужас перед «освобождающей» смертью, одновременное «желание уничтожиться и боязнь умереть», неприятие действительности, стремление бежать от неё в «сладостный гашиш» бреда, в «запой» труда, в «отравы» стихов и вместе с тем «загадочная» привязанность к «будням», к повседневности, к «безнадёжной разорённости своего пошлого мира» — таково сложное и противоречивое «мировосприятие и миропонимание», которое стремится «внушить» Анненский своими стихами.
Приближаясь этим «мировосприятием» из всех своих современников более всего к Фёдору Сологубу, формами стиха Анненский наиболее близок молодому Брюсову периода «русских символистов». Однако преувеличенное «декадентство» первых стихов Брюсова, в котором было много нарочитого, придуманного со специальной целью обратить на себя внимание, «эпатировать» читателя, у не печатавшего свои стихи Анненского носит глубоко органический характер. Брюсов скоро отошёл от своих ранних ученических опытов. Анненский оставался верен «декадентству» в течение всей жизни, «застыл в своем модернизме на определённой точке начала 90-х годов», но зато и довёл его до совершенного художественного выражения. Стиль Анненского ярко импрессионистичен, отличаясь зачастую изысканностью, стоящей на грани вычурности, пышной риторики d?cadence’а.
Как и у молодого Брюсова, поэтическими учителями Анненского были французские поэты второй половины XIX века — парнасцы и «проклятые»: Бодлер, Верлен, Малларме. От парнасцев Анненский унаследовал их культ поэтической формы, любовь к слову как таковому; Верлену следовал в его стремлении к музыкальности, к превращению поэзии в «мелодический дождь символов»; вслед за Бодлером причудливо переплетал в своем словаре «высокие», «поэтические» речения с научными терминами, с обыкновенными, подчеркнуто «будничными» словами, заимствованными из просторечья; наконец, следом за Малларме — на сознательном затемнении смысла строил главный эффект своих стихов-ребусов. От «бесстрастных» французских парнасцев Анненского отличает особая пронзительная нотка жалости, звучащая сквозь всю его поэзию. Жалость эта направлена не на социальные страдания человечества, даже не на человека вообще, а на природу, на неодушевлённый мир страдающих и томящихся «злыми обидами» обиженных вещей (часы, кукла, шарманка и пр.), образами которых поэт маскирует свою собственную боль и муку. И чем меньше, незначительнее, ничтожнее «страдающая» вещь, тем более надрывную, щемящую жалость к себе она в нём вызывает.
Сильно отличается от других стихов Анненского его стихотворение «Старые эстонки» (Из стихов кошмарной совести) — отклик на расстрел 16 октября 1905 года демонстрации в Ревеле (Таллине). Отличается оно своей поэтической мощью и от многих стихов, написанных другими поэтами, стихов, которые были вдохновлены событиями первой русской революции.
Своеобразная литературная судьба Анненского напоминает судьбу Тютчева. Как и последний, Анненский — типичный «поэт для поэтов». Свою единственную прижизненную книгу стихов он выпустил под характерным псевдонимом «Ник. Т-о». И действительно, в течение почти всей своей жизни Анненский оставался в литературе «никем». Лишь незадолго до смерти его поэзия приобретает известность в кружке петербургских поэтов, группировавшихся вокруг журнала «Аполлон». Кончина Анненского была отмечена рядом статей и некрологов, но вслед за тем его имя снова надолго исчезает с печатных столбцов. В 4-й книге стихов Николая Гумилёва «Колчан» опубликовано стихотворение «Памяти Анненского».
Анненский написал четыре пьесы — «Меланиппа-философ», «Царь Иксион», «Лаодамия» и «Фамира-кифаред» — в древнегреческом духе на сюжеты утерянных пьес Еврипида и в подражание его манере.
Анненский перевёл на русский язык полное собрание пьес великого греческого драматурга Еврипида. Также выполнил стихотворные переводы работ Горация, Гете, Мюллера, Гейне, Бодлера, Верлена, Рембо, Ренье.
Литературное влияние Анненского на возникшие вслед за символизмом течения русской поэзии (акмеизм, футуризм) очень велико. Стихотворение Анненского «Колокольчики» по праву может быть названо первым по времени написания русским футуристическим стихотворением. Влияние Анненского сильно сказывается на Пастернаке и его школе и многих других. В своих литературно-критических статьях, частично собранных в двух «Книгах отражений», Анненский даёт блестящие образцы русской импрессионистической критики, стремясь к истолкованию художественного произведения путём сознательного продолжения в себе творчества автора. Следует отметить, что уже в своих критико-педагогических статьях 1880-х годов Анненский задолго до формалистов призывал к постановке в школе систематического изучения формы художественных произведений.