Родился в семье военного, генерал-лейтенанта русской армии. Брат — Михаил Владимирович Омельянович-Павленко, кавалер ордена св. Георгия IV степени, полковник русской армии, генерал армии УНР. До 1912 братья имели фамилию Павленко и изменили её, чтобы подчеркнуть своё казачье происхождение.
Окончил Сибирский кадетский корпус, Константиновское артиллерийское училище (1901), Офицерскую кавалерийскую школу (1911).
Служил в 43-й артиллерийской бригаде, участвовал в русско-японской войне, был ранен и награждён всеми орденами до ордена св. Владимира IV степени с мечами и бантом. Участник Первой мировой войны (начал в должности старшего офицера 1-го батальона 1-го конно-егерского артиллерийского дивизиона), был ранен, награждён Георгиевским оружием (1915) и орденом св. Георгия IV степени (1916). С января 1916 — подполковник. С ноября 1916 — командир 11-й конно-артиллерийской батареи, с мая 1917 — командир 1-й конно-артиллерийской батареи. С июля 1917 — полковник. С августа 1917 — командир 1-го конно-артиллерийского дивизиона.
С сентября 1917 — командир украинизированного 8-го гусарского Лубенского полка (переименованного во 2-й Лубенский конно-казачий имени Сагайдачного полк войск Центральной рады). В феврале 1918 вывел часть военнослужащих этого полка с Румынского фронта, после прихода в Киев кадрированный полк был переименован в Лубенский Сердюцкий конно-казачий полк Сердюцкой дивизии гетмана Павла Скоропадского. До 8 октября 1918 командовал этим полком, затем был кошевым атаманом Украинского казачества на Харьковщине. С 5 ноября 1918 — член Генеральной казачьей рады.
С 27 декабря 1918 — командующий группой войск «Навария» в составе Украинской Галицкой армии, которой командовал его брат Михаил. С 24 февраля 1919 состоял в распоряжении военного министра УНР, с 7 марта 1919 — в распоряжении наказного атамана УНР. В марте 1919 — командующий фронтом под Проскуровым, временно исполняющий обязанности командира 1-й западной конной бригады Действующей армии УНР. С мая 1919 — инспектор кавалерии УНР. В ноябре 1919 заболел тифом и остался в Проскурове, в который вошли белые войска.
Вступил в состав Вооружённых сил Юга России (ВСЮР) генерала Антона Деникина. Через Одессу морским путём выехал на Кубань, где возглавил 3-й линейный казачий полк Кубанской армии ВСЮР, затем — командир Сводно-линейного казачьего полка. В середине апреля 1920, после капитуляции Кубанской армии, переехал в Грузию, откуда морем добрался до Севастополя.
В Севастополе в качестве главы Украинской военной делегации встречался с начальником штаба Русской армии генерала Петра Врангеля генералом Павлом Шатиловым, обсуждал возможность ведения совместных военных действий против большевиков. Затем через Румынию прибыл в распоряжение командования армии УНР. С 30 июня 1920 — начальник Отдельной конной дивизии и инспектор кавалерии армии УНР.
С 1923 жил в эмиграции в Праге.
В июне 1941 сформировал и возглавил отдельное украинское подразделение в составе вермахта.
Позднее И. Омельянович-Павленко сформировал на Подолье 109-й полицейский батальон. Через несколько месяцев это подразделение было преобразовано в городскую полицию в Белой Церкви, а в начале 1942 — в 109-й батальон вспомогательной полиции в Виннице. Командуя этим батальоном, был украинским комендантом Винницы, принимал участие в боях против советских партизан. По данным украинского историка Ярослава Тинченко, пытался защищать местное население, в том числе спасал от смерти винницких евреев.
Полковник Михаил Садовский в письме к другому эмигрантскому военному деятелю УНР генералу Всеволоду Петриву от 23 октября 1941 года писал:
«Уже многих наших людей, офицеров и гражданских, отправили мы на освобождённые наши земли. Офицеры обычно занимают должности комендантов полиции. Даже генерал Омельянович-Павленко (молодший) занимает должность такого коменданта по Виннцкому округу. Часть наших офицеров состоят в роли переводчиков при немецкой армии».
В 1942 г., вместе с другими украинскими формированиями в составе вспомогательной полиции (115-й, 201-й и др. батальоны) в 1942 г. был переброшен немецким командованием в Белоруссию для борьбы с партизанами.
С июля 1943 работал над созданием Украинской освободительной армии.
В 1944 эмигрировал в Германию, после войны переехал в США. Похоронен на кладбище в Баунд-Бруке.