З 1929 по 1933 рік проживала з батьками в Німеччині.
У 1940 році вступила до Інституту філософії, літератури та мистецтва (ІФЛІ). Під час війни ІФЛІ з'єднали з МДУ, тому 1945 року закінчила мистецтвознавче відділення історичного факультету МДУ.
У роки Великої Вітчизняної війни пройшла курси медсестер та працювала у московських шпиталях.
У 1945 році Ірину Антонову було запрошено на роботу до Музею імені А.С. Пушкіна, навчалася в аспірантурі при музеї. Областью її наукових досліджень було мистецтво Італії доби Відродження.
За Антонової стали реалізовуватися ідеї про розширення музею — з'явилися Музей імпресіоністів, Музей приватних колекцій, Дитячий центр. Понад тридцять років у Пушкінському проходять знамениті на всю Москву "Грудневі вечори", задумані ще разом зі Святославом Ріхтером.
Антонова виступила ініціатором та очолила робочу групу з підготовки концепції розвитку Музею, створення "музейського містечка", про яке мріяв засновник музею Іван Цвєтаєв. На пропозицію Ірини Олександрівни до участі у роботі з реконструкції музею було залучено одного з найбільших світових архітекторів, який має великий досвід у галузі сучасної музейної архітектури, сер Норман Фостер (Великобританія).
Під керівництвом Антонової було розроблено програму заходів до 100-річчя ДМІІ ім. А.С. Пушкіна у 2012 році, яка отримала підтримку та фінансування уряду РФ.
Завдяки її ініціативі було видано низку систематичних каталогів колекцій музею ("Німецький малюнок", "Французький малюнок", "Коптські тканини" та ін.), здійснено низку масштабних виставкових проектів, що завоювали величезний глядацький інтерес: "Зустріч з Модільяні" (2007), "Тернер. 1775-1851" (2008),"Футуризм. Радикальна революція: Італія - Україна. До 100-річчя художнього руху" (2008), "Пікассо" (2010).
Висока репутація Ірини Антонової у музейному співтоваристві дозволила музею уявити унікальні шедеври світового живопису з найбільших мистецьких зібрань, які надзвичайно рідко видаються за кордон. Це "Антея" Парміджаніно (Музей Каподимонте, Неаполь, 2007), "Святе сімейство" Мантеньї (Державні збори Дрездена, 2009), "Портрет невідомого із сірими очима" Тіціана (Галерея Палатина, Флоренція, 2008).
Будучи не лише музейним, а й громадським діячем, з 1992 року Антонова є почесним членом Міжнародної ради музеїв (у 1971-1977 роках та 1986-1992 роках була віце-президентом Міжнародної ради музеїв), академіком української академії освіти, української академії мистецтв, доктором Державного гуманітарного університету.
Ірина Антонова - Заслужений діяч мистецтв РРФСР (1979). Лауреат Державної премії України (1996) за організацію у музеї музичного фестивалю "Грудневі вечори".
Нагороджена орденами Трудового Червоного прапора, Жовтневої революції, Дружби народів, "За заслуги перед Батьківщиною" IV, III, II та I ступеня.
Також вона нагороджена орденом Почесного легіону Французької республіки (командор), орденом Командора літератури та мистецтва Франції та італійським орденом "За заслуги перед Італійською Республікою" (командор).
Чоловік Ірини Антонової Євсей Йосипович Ротенберг (1920-2011), мистецтвознавець, доктор наук, був завідувачем сектору класичного мистецтва Інституту історії мистецтвознавства; 1954 року в них народився син Борис.
Матеріал підготовлений на основі інформації відкритих джерел