Со своей первой женой, актрисой Ириной Леоновой, Петренко познакомился на вступительных экзаменах в театральном училище. После выпуска в 2000 году они расписались. Брак пары продлился 4 года, детей за это время не родилось. Еще будучи женатым на Леоновой, Игорь встретил свою следующую любовь и жену – актрису Екатерину Климову, впрочем, и она в тот момент не была свободна.
В программе «Судьба человека» он вспоминал, что они оба были в браке с другими людьми, но не смогли противостоять чувствам. «Она училась на курс старше, несмотря, что на год младше. Конечно, она мне сразу понравилась. Потом снимались вместе в картине "Московские окна"... У нее была семья, я был женат на Ирине Леоновой. Мы поняли, что больше не хотим обманывать свои семьи«, – делился Петренко.
Скоро в школу: топ-5 трендов для учителей:
В 2004 году актер развелся с Леоновой, Климова ушла от мужа, и они стали жить вместе, а затем сыграли свадьбу. У пары родилось двое сыновей: в 2006 году – Матвей, в 2008-м – Корней. Петренко также воспитывал дочь актрисы от первого брака Елизавету. Спустя деять лет этот союз дал трещину. Петренко вспоминал, что в то время снимал стресс от съемок и переработок алкоголем.
«Я не побежал возвращать ее, так как понимал, что ей стало невыносимо жить со мной, она видела перед собой практически ежедневно обессиленное пьяное создание, в которое я превратился», – рассказывал Петренко. После развода родителей сыновья большую часть времени проводят с матерью.
На съемках картины «Огонь для Олимпиады» Игорь познакомился с актрисой Кристиной Бродской, ставшей его третьей женой. В октябре 2016-го в прессе появилась информация об их свадьбе. В браке с Кристиной, которая младше Петренко на 13 лет, у актера родились три дочки София-Каролина (в 2014 году), Мария (в 2017-м) и Ева (в 2019-м).
«Кристина дала мне необходимую свободу и мне становилось все легче. Это были не нравоучения, а легкость, тепло и свет. Я понял, что мне нужно это охранять», – вспоминал Петренко. Кристина и Игорь оберегают семейную жизнь от посторонних глаз, при этом продолжают сниматься вместе в кино, например, в фантастическом фильме «Рубеж» и боевике «СМЕРШ. Продолжение».
В 2015 году пресса приписывала Петренко роман с актрисой Мариной Александровой. Актеры играли семейную пару в сериале «Рожденная звездой», попутно в СМИ появились слухи, что в браке актрисы и ее супруга, режиссера Андрея Болтенко наметился кризис. Продолжения у истории не было.
