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 774-го истребительного авиаполка 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 с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» за номером 3332.
После окончания войны Романенко продолжил службу в Советской Армии. В 1951 году он окончил Военно-воздушную академию. В 1974 году в звании генерал-майора Романенко был уволен в запас. Проживал в Краснодаре. Умер 8 июня 1978 года, похоронен на Славянском кладбище Краснодара.
Был также награждён пятью орденами Красного Знамени, орденами Александра Невского, Отечественной войны 1-й степени и Красной Звезды, рядом медалей.