Родился в семье дважды Героя Советского Союза космонавта Юрия Романенко.
Окончил в 1988 году Ленинградское, ныне Санкт-Петербургское суворовское военное училище, в 1992 году закончил Черниговское высшее военное авиационное училище лётчиков. Далее Роман Юрьевич проходил военную службу вплоть до зачисления в отряд космонавтов. Это произошло 1 декабря 1999 года, когда ему была присвоена квалификация космонавта-испытателя. До этого он с 16 января 1998 по 26 ноября 1999 года проходил общекосмическую подготовку. Проходил службу в Центре подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина, после его передачи из Министерства обороны в августе 2009 года (во время своего пребывания в космосе) переведён во вновь созданное ФГБУ ЦПК.
За время службы освоил самолеты L-39, Ту-134, имеет общий налёт около 800 часов. Квалифицирован как военный лётчик 3-го класса.
Трижды входил в дублирующие экипажи: МКС-9, МКС-11 и МКС-15. Наконец в июле 2008 года был назначен в основной экипаж 20-й экспедиции на МКС командиром корабля «Союз ТМА-15», на котором 27 мая 2009 года он вместе с остальными членами экипажа отправился на МКС. Возвратился на Землю 1 декабря 2009 года. Продолжительность полёта составила 187 суток 20 часов 40 минут 41 секунда.
Является третьим потомственным космонавтом в мире (первый — Сергей Александрович Волков, второй — космический турист Ричард Гэрриот).
«Тревожная вахта космонавта Сураева» — сценарий фильма, написанный в 2010 году по мотивам блога Максима Сураева, который он вёл во время пребывания на МКС. Автор — Федор Владимирский. Главные герои — российский космонавт Максим Сураев и американский астронавт Джеффри Уильямс. Роман Романенко в сценарии появляется в роли напарника Максима Сураева по российскому сегменту МКС — Романа Ромале. По сценарию, космонавты противостоят религиозным фанатикам, которые захватили Центр Управления Полетами в Хьюстоне и запустили межконтинентальную баллистическую ракету с ядерной боеголовкой, чтобы развязать ядерную войну на Земле.
Впервые сценарий был опубликован на сайте научно-популярного журнала «Пропаганда».