Родился 23 августа 1977 в городе Потсдам (ГДР). Его отец был военным, а мать работала переводчиком. Спустя несколько лет после рождения сына они перебрались жить в Москву. В детстве Игорь особо не уделял внимание учебе в школе, посвящая больше времени спортивным увлечениям, в частности, различным видам борьбы. С этим периодом в жизни Петренко связана история его судимости. В возрасте пятнадцати лет он стал соучастником убийства. Вместе с другом они заняли у своего товарища крупную сумму денег и, будучи не в состоянии рассчитаться, решили застрелить приятеля. Больше года Петренко находился в СИЗО, а суд состоялся лишь спустя пять лет. Учитывая, что он был не только несовершеннолетним, но и младшим участником преступления, и принимая во внимание все положительные отзывы, Игорь был приговорен к восьми годам условно.
Окончив учебу в школе, Петренко никак не мог определиться с выбором дальнейшего пути и за компанию с другом отправился в Щепкинское училище. Неожиданно для самого себя и окружающих, Игорь оказался благополучно зачислен в студенты. Тогда же состоялось его знакомство с первой женой - актрисой Ириной Леоновой. Однажды их вместе даже чуть было не отчислили с первого курса из-за неуспеваемости, но все обошлось. А уже в 2000-м году пара стала играть на одной сцене Малого театра, где провела в общей сложности пару лет. Напряжение в отношениях супругов постепенно росло, и в итоге они расстались. В тот же период состоялся дебют Игоря в кино – актер снялся в сериале «Черная комната». С этого момента его кинокарьера стала плавно развиваться, и вскоре с участием Петренко на экраны вышли полнометражные фильмы «Условный рефлекс» и «Звезда», второй принес актеру большую известность. А на съемках очередного сериала Петренко познакомился со своей второй женой — актрисой Екатериной Климовой.
В последующие годы Игорь снялся в целом ряде заметных фильмов и сериалах, среди которых «Кармен», «Курсанты», «Именины», «Водитель для Веры», «Волкодав», «Тарас Бульба». За некоторые из этих ролей Игорь Петренко был удостоен премий «Ника» и «Триумф». Среди последних работ актера сериал «Отрыв» и картина «Мечты из пластилина». Кроме того, в скором времени ожидается выход сериала «Шерлок Холмс», где Петренко исполнит главную роль легендарного сыщика.