Родился 9 августа 1971 года в семье дважды героя СССР, космонавта Юрия Романенко. После окончания школы по примеру отца решил связать свою жизнь с небом. Закончил Ленинградское суворовское военное училище, Черниговское высшее военное авиационное училище летчиков по специальности «Командная, тактическая истребительная авиация». С 1992 года служил в рядах Военно-воздушных сил России.
В 1997 году прошел отбор и был зачислен в отряд космонавтов. В 2009 году в качестве командира экипажа отправился в первую экспедицию на МКС 20/21. Продолжительность полёта составила 187 дней. За отличное выполнение программы научных испытаний получил звание Героя России. В 2012 году во второй раз отправился на орбиту, где провёл 145 дней и совершил выход в открытый космос.
В 2018-2020 годах возглавлял Главный штаб Всероссийского детско-юношеского военно-патриотического движения «ЮНАРМИЯ». Роман Романенко женат почти 30 лет, есть сын и дочь.
