Родился 9 августа 1971 г. в городе Щелково Московской области (РСФСР) в семье дважды Героя Советского Союза космонавта Юрия Викторовича Романенко.
В 1992 г. окончил Черниговское высшее военное авиационное училище летчиков им. Ленинского комсомола по специальности «Командная, тактическая истребительная авиация», в 2013 г. - Российскую академию народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации по специальности «Государственное и муниципальное управление».
В 1992-1997 гг. в качестве офицера проходил службу в ВВС РФ. За время службы освоил самолеты L-39, Ту-134, имеет общий налёт около 800 часов. Квалифицирован как военный лётчик 3-го класса.
28 июля 1997 г. решением ГМВК рекомендован к зачислению в отряд космонавтов РГНИИЦПК (12-й набор).
26 декабря 1997 г. приказом Министерства обороны РФ зачислен в отряд космонавтов РГНИИЦПК на должность кандидата в космонавты-испытатели;
С 22 декабря 1999 г. – космонавт-испытатель.
С апреля 2002 г. по январь 2003 г. проходил подготовку в составе дублирующего экипажа МКС-9 в качестве бортинженера МКС и командира ТПК «Союз ТМА» для старта на ОК «Шаттл».
С февраля 2003 г. по февраль 2005 г. готовился в составе дублирующего экипажа МКС-11 для старта на ОК «Шаттл» в качестве бортинженера МКС.
С сентября 2005 г. по январь 2006 г. проходил подготовку в составе международной группы для полетов на МКС.
С февраля 2006 г. по 7 апреля 2007 г. проходил подготовку в составе дублирующего экипажа МКС-15 в качестве командира МКС и командира ТПК «Союз ТМА».
С 27 мая 2009 г. по 01 декабря 2009 г. - первый космический полет в качестве командира ТПК «Союз ТМА-15» и бортинженером на МКС вместе с астронавтом Бельгии Франком Люком Де Винном и Робертом Брентом Тирском астронавтом Канады (продолжительность полета: 187 сут. 20 час. 40 мин, позывной: «Парус»).
С января 2012 г. проходил подготовку в составе дублирующего экипажа МКС-32/33 в качестве командира корабля и бортинженера МКС.
С 19 декабря 2012 г. по 14 мая 2013 г. - второй космический полет в качестве командира ТПК «Союз ТМА-07М» и бортинженером МКС-34/35 вместе с астронавтом ККА Крисом Хадфилдом и астронавтом НАСА Томасом Машбёрном (продолжительность полета: 145 сут. 14 час. 18 мин.). Во время полета совершил выход в открытый космос длительностью: 6 часов 37 минут.
С 2013 г. занимал ряд руководящих и административных должностей в ЦПК.
С 14 октября 2015 г. - депутат Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации шестого созыва, член комитета ГД по обороне.
18 сентября 2016 г. избран депутатом Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации седьмого созыва в составе федерального списка кандидатов, выдвинутого Всероссийской политической партией «ЕДИНАЯ РОССИЯ».
Военный летчик 3-го класса, инструктор парашютно-десантной подготовки, офицер-водолаз. Инструктор-космонавт-испытатель 2-го класса.
Награжден медалью Вооруженных Сил Российской Федерации « За воинскую доблесть» II степени, медалью «За отличие в военной службе» I, II, III степени, медалью «За службу в ВВС», почетным знаком «50 лет космической эры», орденом Короны степени Командора (Бельгия, 2011 г.), медалью «За заслуги в освоении космоса» (2011 г.), орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени (2015 г.).
Указом Президента Российской Федерации № 449 от 12 апреля 2010 г. за мужество и героизм, проявленные при осуществлении космического полёта на Международной космической станции, космонавту-испытателю – командиру группы отряда космонавтов Научно-исследовательского испытательного центра подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина полковнику Романенко Роману Юрьевичу присвоено звание Героя Российской Федерации с вручением знака особого отличия - медали «Золотая Звезда».
