Родился 5 ноября 1918 года в селе Жирковка (Машевский район Полтавской области Украины). В 1932 году окончил 7 классов Михайловской средней школы. Затем - рабфак и аэроклуб в городе Харькове. С августа 1935 года в рядах Красной Армии. В 1938 году окончил Чугуевское военное авиационное училище лётчиков и оставлен там инструктором. В январе 1940 года переведён в Краснодарскую военную авиационную школу пилотов на должность командира звена. С августа 1941 года - командир звена в 19-м ЗАП (5-я запасная авиационная бригада).

29 сентября 1942 года лейтенант И. И. Романенко назначен заместителем командира эскадрильи в 774-й ИАП. С 15 октября 1942 года в действующей армии. 28 января 1943 года назначен командиром эскадрильи, 16 июня 1943 года - штурманом полка. Сражался на Калининском, Юго-Западном, Центральном, Брянском, 2-м Белорусском фронтах. Летал на Як-1, Як-7 и Як-9.

К середине июля 1943 года штурман 774-го истребительного авиационного полка (282-я истребительная авиационная дивизия, 16-я Воздушная армия, Центральный фронт) капитан И. И. Романенко совершил 85 боевых вылетов, провёл 23 воздушных боя, сбил лично 17 и в составе группы 1 самолёт противника. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 4 февраля 1944 года удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" (№ 3332).

4 апреля 1944 года назначен помощником командира полка по воздушно-стрелковой службе. С августа 1944 года по февраль 1945 года исполнял обязанности командира полка. К маю 1945 года помощник командира 774-го ИАП по лётной части майор И. И. Романенко совершил 188 боевых вылетов, провёл 61 воздушный бой, в которых сбил 29 самолётов противника лично и 3 в группе.

После окончания войны продолжил службу в ВВС. В 1951 году окончил командный факультет Военно-Воздушной академии. Занимал различные должности (в том числе, заместителя командующего группировкой ВВС СССР в Египте). С мая 1974 года генерал-майор авиации И. И. Романенко - в запасе. Жил в Краснодаре. Умер 8 июня 1978 года. Похоронен на Славянском кладбище города Краснодара. Имя Героя увековечено в мемориальном комплексе, воздвигнутом в посёлке городского типа Машевка.

Награждён орденами: Ленина (04.02.1944), Красного Знамени (25.02.1943, 14.08.1943, 29.06.1945, 22.02.1968, 19.02.1972), Александра Невского (23.01.1945), Отечественной войны 1-й степени (18.09.1944), Красной Звезды; медалями.

Список известных воздушных побед И. И. Романенко:

Д а т а	Противник	Место падения самолёта или проведения воздушного боя	Свой самолёт
14.11.1942	1  Хе-111	Венцы	Як-7
16.11.1942	1  Ме-109	Клетск - Почтовск
	1  Ме-109	Ендовский
28.12.1942	1  Ю-88	Чернышковский
29.12.1942	1  Ме-109	Сиволобов
	1  Ме-109	Стишокин
	1  Ме-109	Нижне-Михайловский
	1  Ме-110
30.01.1943	2  Ме-109	Грушевка
31.01.1943	1  До-215	Мечетной - Каменев
	1  Ме-110  (в группе 1/3)	Краснодонецкая - Ольховчик
07.07.1943	1  ФВ-190	южнее Поныри	Як-1, Як-7.
	1  Ме-109	Поныри - Подолянь
	1  ФВ-190	Нетрубеж - Косоржа
	1  ФВ-190	Поныри - Подолянь
	1  ФВ-190	Самодуровка
08.07.1943	1  ФВ-190	Поныри - Малоархангельск
20.07.1943	1  ФВ-190	Протасово - Сомово
	1  ФВ-190	Слобода - Высокое
21.07.1943	1  Ю-88	Спасское - Паслово
	1  Ме-110	Спасское
20.09.1943	1  ФВ-189	Булохово - Бабарыки
13.01.1944	1  Ме-109	Углы - Савичи
24.01.1944	1  ФВ-190	Давыдовка - Чирковичи
29.03.1944	1  ФВ-190  (в группе 1/4)	Волковичи - Лисичник
25.06.1944	1  ФВ-190  (в паре)	Фалевичи - Добротин
20.07.1944	1  ФВ-190	Дубок - Владава
03.09.1944	1  Ме-109	Юзефов - Кобылин	Як-1, Як-9.
	1  Ме-109	Крембки - Ногошево
16.04.1945	1  ФВ-190	Буков - Штраусберг
	1  ФВ-190	Тонхеберг - Грюнов
Всего сбитых самолётов - 29 + 3;  боевых вылетов - 188;  воздушных боёв - 61.

Из фотоматериалов разных лет: