Антонова родилась в Москве, окончила МГУ имени Ломоносова. Во время Великой Отечественной войны была медсестрой.

Ирина Антонова бессменно возглавляла ГМИИ с 1961 по 2013 год, а потом заняла специально созданный для нее пост президента музея. При ее непосредственном участии в СССР впервые показали произведения западных художников того времени. В конце 50-х годов в Пушкинском музее прошла выставка Пабло Пикассо, в 1974 году любители искусства смогли увидеть в Москве "Мону Лизу" Леонардо да Винчи.

На выставке "Москва - Париж. 1900-1930" впервые было показано ранее запрещенное русское искусство: Марк Шагал, Казимир Малевич, Василий Кандинский.

Антонова - полный кавалер ордена "За заслуги перед Отечеством", кавалер ордена Почетного легиона, командор ордена "За заслуги перед Итальянской Республикой", лауреат Государственной премии РФ. В 2008 году по инициативе Антоновой был разработан проект создания "музейного квартала" вокруг ГМИИ.