Иван Иванович Романенко родился 5 ноября 1918 года в селе Жирковка Полтавской области.
Окончил неполную среднюю школу, рабфак и аэроклуб.
В 1935 году Романенко был призван на службу в Рабоче-Крестьянскую Красную Армию.
В 1938 году он окончил Чугуевское военное авиационное училище лётчиков.
С октября 1942 года — на фронтах Великой Отечественной войны.
К июлю 1943 года капитан Иван Романенко был штурманом 282-й истребительной авиадивизии 16-й воздушной армии Центрального фронта. К тому времени он совершил 85 боевых вылетов, принял участие в 23 воздушных боях, сбив 16 вражеских самолётов лично и ещё 1 — в составе группы.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 4 февраля 1944 года за "мужество и героизм, проявленные в воздушных боях с немецкими захватчиками", капитан Иван Романенко был удостоен высокого звания Героя Советского Союза.
После присвоения звания Героя продолжал столь же успешно сражаться на фронте. К 9 мая 1945 года выполнил 188 боевых вылетов, провёл 61 воздушный бой, сбил 29 вражеских самолётов лично и 3 в группе.
После окончания войны Романенко продолжил службу в Советской Армии.
В 1951 году он окончил Военно-Воздушную академию.
Преподовал в Армавирском военном училище лётчиков.
В 1974 году в звании генерал-майора Романенко был уволен в запас. Проживал в Краснодаре. Умер 8 июня 1980 года, похоронен на Славянском кладбище Краснодара.