С 1929 года по 1933 год жила с родителями в Германии.
С 1940 года — студентка Института философии, литературы и истории. С 1941 года, после объединения ИФЛИ с МГУ, стала студенткой Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
В годы Великой Отечественной войны окончила курсы медицинских сестёр и работала в госпитале.
В 1945 году окончила МГУ, поступила на работу в Государственный музей изобразительных искусств имени А. С. Пушкина и начала обучение в аспирантуре при музее. Областью её научных исследований было искусство Италии эпохи Возрождения.
С февраля 1961 года по настоящее время — директор Государственного музея изобразительных искусств имени А. С. Пушкина. В этом качестве Антонова выступала инициатором и организатором крупнейших международных выставок, в том числе «Москва—Париж», «Москва—Берлин», «Россия—Италия», «Модильяни», «Тёрнер», «Пикассо» и многих других.
Автор более 100 публикаций (каталогов, статей, альбомов, телевизионных передач, сценариев научно-популярных фильмов). На протяжении ряда лет вела преподавательскую работу на искусствоведческом отделении в МГУ, в Институте кинематографии, в аудитории ГМИИ имени А. С. Пушкина, в Институте восточных языков в Париже.
Член Общественной Палаты Российской Федерации (с 2011 г.)
В 2012 году вошла в список доверенных лиц кандидата в президенты — Владимира Путина.
Отец Ирины Антоновой — активный участник Октябрьской революции судовой электрик Александр Александрович Антонов, после революции был директором Института экспериментального стекла. Мать — Ида Михайловна (ур. Розенблюм) окончила гимназию и консерваторию по классу фортепиано, прожила 100 лет и 5 месяцев. Муж Ирины Антоновой — Евсей Иосифович Ротенберг (18.07.1920—15.10.2011), доктор искусствоведения, автор основополагающих трудов по классическому искусству Западной Европы, был заведующим сектором классического искусства Института истории искусствознания. Их сын Борис родился в 1954 году.
Полный кавалер ордена «За заслуги перед Отечеством»:
Свободно владеет немецким, французским и итальянским языками.