Игорь Петренко родился 23 августа 1977 года в городе Потсдам (ГДР) в семье советского 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.
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.