• Когда Игорю исполнилось три года, его семья переехала в Москву.
• Еще будучи несовершеннолетним, в 1992 году был замешан в убийстве, вскоре после чего арестован. Около года Игорь Петренко провел следственном изоляторе «Матросская тишина», а потом отпущен на свободу до суда. В 1997 суд приговорил Петренко к 8 годам лишения свободы и счел возможным не приводить приговор в исполнение, а назначить наказание условно с испытательным сроком три года.
• В 2000 году окончил Высшее театральное училище (институт) им. М. С. Щепкина.
• Лауреат Государственной премии России (2002).
  

Игорь Петренко был женат на актрисе Ирине Леоновой. С ней Игорь познакомился ещё во время учёбы в театральном училище; поженились они сразу после окончания обучения в 2000 году. В 2004 году супруги развелись.

С 31 декабря 2004 года по 10 июля 2014 года Игорь состоял в официальном браке с актрисой Екатериной Климовой. С ней актёр познакомился на съёмках телесериала «Московские окна» (2001), когда ещё состоял в браке с Ириной Леоновой. Отношения Петренко и Климовой начались в 2003 году, когда их обоих пригласили на съёмки телесериала «Лучший город Земли». В браке у пары родились два сына: Матвей Петренко (род. 21 ноября 2006) и Корней Петренко (род. 2008). На протяжении всего брака Игорь воспитывал также дочь Екатерины от первого брака (с Ильёй Хорошиловым) Елизавету Хорошилову. После развода родителей сыновья Матвей и Корней большую часть времени проводят с мамой Екатериной Климовой в загородном доме в Подмосковье.

24 декабря 2014 года в одном из родильных домов Санкт-Петербурга у Игоря Петренко родилась дочь София-Каролина от двадцатичетырёхлетней питерской актрисы Кристины Бродской. Молодая семья пока живёт в Санкт-Петербурге.