Ирина Александровна Антонова родилась 20 марта 1922 г. в Москве.
Отец — Александр Александрович Антонов - судовой электрик, участник захвата власти большевиками в 1917 г., был директором Института экспериментального стекла.
Мать — Ида Михайловна Розенблюм, окончила консерваторию по классу фортепиано
С 1929 по 1933 год жила с родителями в Германии. Вернувшись в Москву, семья Антоновых обосновалась в квартире на Покровском бульваре.
С 1940 года — студентка Института философии, литературы и истории. С 1941 года, после объединения ИФЛИ с МГУ, стала студенткой Московского государственного университета им. Ломоносова.
В начале Великой Отечественной войны окончила курсы медицинских сестёр, с весны 1942 года в звании младшего сержанта медицинской службы работала в госпитале на Красной Пресне.
Начала обучение в аспирантуре при музее. Областью её научных исследований было искусство Италии эпохи Возрождения.
С февраля 1961 - по 10 июля 2013 - директор Государственного музея изобразительных искусств имени А.С. Пушкина. В этом качестве выступала инициатором и организатором крупнейших международных выставок, в том числе "Москва—Париж", "Москва—Берлин", "Россия—Италия", "Модильяни", "Тёрнер", "Пикассо" и многих других.
В 1981 году вместе со Святославом Рихтером основала фестиваль музыки и живописи "Декабрьские вечера", ежегодно проводящийся в музее. Является бессменным директором фестиваля. В 1998 году фестивалю было присвоено имя Рихтера.
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 РФ Владимира Путина.
В мае 2013 года Антонова выдвинула идею о воссоздании в Москве музея Нового западного искусства, ранее уничтоженного Сталиным, куда ГМИИ им. Пушкина и Государственный Эрмитаж передали бы лучшую часть своих коллекций — картины импрессионистов. Это предложение вызвало резкий протест директора Эрмитажа Михаила Пиотрвоского и более широкий конфликт в музейном сообществе. После этих бурных событий министр культуры РФ В.Мединский стал торопить Антонову с отставкой.11 апреля 2013 года назначена главным куратором государственных музеев России. Спустя три месяца, уже после своей отставки, Антонова назвала данное назначение "безумием чистейшей воды", единственный смысл которого заключался в том, чтобы оправдать или сгладить её предстоящий уход с поста директора.
Умерла 1 декабря 2020 г. Похоронена на Новодевичьем кладбище (район Хамовники).
Муж — 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 единственный сын Борис родился в 1954 году.
Антонова — сторонница идей социализма. Считает, что это единственно верная система, которая, "к сожалению, на практике себя нигде не оправдала". В современном российском обществе ей неприятен "олигархический элемент" и богатые люди
действительный член РАХ (2001, член-корреспондент с 1997),
член-корреспондент Академии Сан-Фернандо в Мадриде (Испания),
почётный доктор РГГУ
Государственные награды и звания:
Орден "За заслуги перед отечеством" I степени (6 декабря 2007 года) — за выдающийся вклад в развитие музейного дела, сохранение и популяризацию отечественного и мирового культурного наследия
Орден "За заслуги перед Отечеством" II степени (20 марта 2002 года) — за выдающийся вклад в развитие отечественной культуры
Орден "За заслуги перед Отечеством" III степеней (17 марта 1997 года) — за заслуги перед государством и большой личный вклад в сохранение национального культурного достояния России
Орден "За заслуги перед Отечеством" IV степеней (28 февраля 2012 года) — за большой вклад в развитие отечественной культуры и многолетнюю общественную деятельность
Орден Октябрьской Революции
Орден Трудового Красного Знамени
Орден Дружбы народов
медали
Заслуженный деятель искусств РСФСР.
Награды других стран:
Командор ордена почётного легиона (Франция)
Командор ордена искусств и литературы (Франция),
Командор ордена "За заслуги перед итальянской Республикой" (7 декабря 2000).