Роман Романенко родился 9 августа 1971 года в городе Щёлково Московской области. Отец — дважды Герой Советского Союза, космонавт Юрий Викторович Романенко, мать — учительница музыкальной школы Алевтина Ивановна Романенко (в девичестве Фролова).

В 1986 году окончил восемь классов средней школы имени В.М. Комарова в Звёздном городке. Два года, с 1986-го по 1988-й, учился в Ленинградском суворовском училище. В 1992 году окончил Черниговское высшее военное авиационное училище лётчиков (ВВАУЛ) имени Ленинского комсомола по специальности «Командная тактическая истребительная авиация».

После окончания училища, с августа по ноябрь 1992 года Роман Романенко служил инженером лаборатории обработки информации отделения контрольно-регистрирующей аппаратуры. Затем, до зачисления в отряд космонавтов, служил помощником командира корабля авиационного отряда эскадрильи 70-го отдельного испытательного тренировочного авиаполка особого назначения имени В.С. Серёгина первого НИИ ЦПК. В августе 1992 года получил звание лейтенанта, в 1994-м — звание старшего лейтенанта, в 1996-м — капитана, в 1999-м — майора, в декабре 2009-го — полковника, с мая-июля 2012 года — полковника в запасе.

Решением ГМВК 28 июля 1997 года Роман Романенко был рекомендован к зачислению в отряд космонавтов РГНИИ ЦПК. В этом же году, 26 декабря, он был зачислен приказом министра обороны РФ в отряд космонавтов в качестве космонавта-испытателя. С 16 января 1998-го по 26 ноября 1999-го проходил общекосмическую подготовку. 1 декабря 1999 года Роману Романенко присвоили квалификацию космонавта-испытателя.

С января 2000 года Романенко проходил подготовку по программе МКС в составе группы космонавтов. Через два года, 21 февраля 2002-го, по решению Многосторонней комиссии по операциям экипажей (MCOP — Multiteral Crew Operation Panel) его включили в состав дублирующего экипажа девятой основной экспедиции на МКС в качестве пилота. Кроме Романа Романенко в дублирующий состав вошли Александр Полищук и Дэниэл Тани. 20 марта того же года назначение подтвердила Межведомственная комиссия по отбору космонавтов (МВК). В апреле 2002 года Роман Романенко начал подготовку к полёту в качестве бортинженера МКС и командира ТПК «Союз ТМА» для старта на шаттле. Однако в феврале 2003 подготовка была прекращена, а экипаж переформирован в связи с катастрофой шаттла Columbia.

Затем два года, с февраля 2003-го по 2005-й, Роман Романенко готовился к полёту в качестве бортинженера в составе дублирующего экипажа МКС-11 для старта на шаттле. С сентября 2005-го по январь 2006-го — подготовка в составе международной группы для полётов на МКС. В 2006 году,  с 23 по 25 января, совместно с Михаилом Корниенко и Гарреттом Рейзманом участвовал в экзамене на умение выжить в безлюдной местности в случае аварийной посадки спускаемого аппарата. Проходил экзамен в подмосковном лесу. С февраля 2006 по апрель 2007 — подготовка в составе дублирующего экипажа МКС-15 в качестве командира МКС и командира ТПК «Союз ТМА». В июне 2006-го и августе 2007-го был включён в состав дублирующих экипажей экспедиции на МКС. Однако уже в июле 2008 года Романа Романенко назначили в основной экипаж 20-й экспедиции на МКС, а также командиром корабля «Союз ТМА-15». Старт экспедиции был запланирован на май 2009 года. 21 сентября 2008 года назначение Романа Романенко официально подтвердилось Роскосмосом, а 21 ноября этого же года — НАСА.

Первый полёт в космос Романа Романенко прошёл с 27 мая по 1 декабря 2009 года в качестве командира корабля «Союз ТМА-15» и бортинженера на МКС. Кроме него в экспедиции принимали участие астронавты из Бельгии и Канады — Франк Люк Де Винн и Роберт Брентон Триск. Полёт длился 187 суток 20 часов и 40 минут. Роман Романенко получил позывной «Парус».

— Сильно отец не мог на меня повлиять. Сначала ставил цель быть просто военным, стрелком. Потом всё-таки я понял, что могу достичь большего, и стал лётчиком. Пошёл по стопам отца, но сначала в качестве лётчика — я думал о ближайшей цели. Так как я стал лётчиком и уже пролетал некоторое время, я подумал, что надо попытаться стать и космонавтом. Друзья, конечно, помогли, подсказали о том, что идёт набор: «Здоровье есть, всё есть, давай пробуй». Вот и получилось. Единственное, что ждать [первого полёта] пришлось очень долго — 11 лет, — рассказывал космонавт.

Роман Романенко с фотографией отца на с орбитальной станции «Мир» на борту МКС

С 2010 по 2012 годы Романенко проходил подготовки к полётам в составе дублирующих экипажей.

— Любое важное дело начинается с малого. Если вы хотите попасть в авиацию, ваша задача сегодня — хорошо учиться, осваивать военную подготовку, добиваться хороших результатов. К своему первому полёту в космос я шёл долгих 11 лет, это было время упорных тренировок и работы над собой, — вспоминал уже в апреле 2016 года Роман Романенко на встрече с кадетами в Оренбурге. — Наверное поэтому, когда мой полёт уже состоялся, я долго не мог поверить, что на самом деле это со мной произошло. Оренбург — это колыбель космонавтики, и мне особенно приятно в преддверии юбилея полёта Юрия Гагарина оказаться в стенах кадетского корпуса, в котором хранят память о первом космонавте Земли.

Указом президента России 12 апреля 2010 года Роману Романенко присвоили звание Героя Российской Федерации и лётчика-космонавта Российской Федерации.

В 2011 году Романенко был утверждён кандидатом в депутаты Государственной Думы шестого созыва от Амурской области (входил в региональный список по Московской области под вторым номером), однако по итогам голосования в декабре 2011 не был избран депутатом.

С 19 декабря 2012 по 14 мая 2013 года прошёл второй полёт Романа Романенко в качестве командира ТПК «Союз ТМА-07М» и бортинженера МКС-34/35 совместно с астронавтом ККА Крисом Хадфилдом и астронавтом НАСА Томасом Машбёрном. Во время этого полёта Роман Романенко совершил выход в открытый космос длительностью 6 часов 37 минут. Продолжительность полёта составила 145 суток 14 часов и 18 минут.

На следующий день после возвращения на Землю и прибытия в Звёздный городок Романенко принял участие в экспериментах по отработке нескольких операций высадки на Марс.

В феврале 2014 года на заседании Главной медицинской комиссии его признали временно негодным к подготовке к полётам сроком на шесть месяцев. В апреле этого же года он был вновь допущен к спецтренировкам на основе рассмотренного медицинского заключения. В ноябре 2014 года был освобождён от должности инструктора-космонавта-испытателя приказом начальника ЦПК.

В октябре 2015 года Центризбирком зарегистрировал Романа Романенко депутатом Госдумы. В Думе он занял место депутата, ушедшего в Совет Федерации.

В интервью изданию «Амурсакая правда» в феврале 2016 года Романенко рассказывал, что предложение стать депутатом было для него неожиданностью.

— В Роскосмосе я рассчитывал идти дальше на повышение, пора было уступить место молодёжи. Мне позвонили вечером, я как раз приехал из отпуска, ставил машину в гараж. Попросили принять решение и перезвонить в любое время. Губернатор ждал ответа. Я сначала подумал, что шутят, ведь в Госдуме уже был амурский депутат от «Единой России». Все были задействованы, руководитель Роскосмоса Игорь Комаров мне звонил, говорил: «Давай». Пообщался со знакомыми депутатами и утром принял решение. В течение 5 суток надо было разорвать контракт с центром подготовки космонавтов. Я прихожу и говорю: «Увольняюсь». Коллеги мне: «Да ладно, не смеши нас». Доработать в Госдуме до её переизбрания оставалось 11 месяцев, а дальше никто ничего не обещал. Безусловно, хотелось бы снова баллотироваться от Амурской области. Я вроде бы только начинаю входить в эту роль, но результаты есть. Если у меня ничего не получится в Госдуме, я имею право вернуться обратно в Роскосмос и совершить свой очередной полёт, если не будет хватать бойцов. Но для этого мне надо будет сдавать множество медицинских тестов и около 30 экзаменов. Могу в Роскосмосе другой работой заниматься, но хотелось бы, конечно, не останавливаться, остаться на связи с Амурской областью, — рассказывал космонавт.

В качестве депутата Госдумы Роман Романенко выступил инициатором законопроекта по переименованию Углегорска в Амурской области в Циолковский. Законопроект был внесён на рассмотрение 22 октября 2015 года.

— За два месяца мне удалось продвинуть закон о переименовании Углегорска в Циолковский — что называется, сделал ему «ноги». Он бы ещё как минимум год гулял по кабинетам власти, — вспоминает Роман в том же интервью. — Обычно, если закон пускают на самотёк, на его принятие из‑за бюрократических проволочек уходит от года до трёх лет. Меня мой регион попросил сделать это, да мне и самому хотелось ускорить процесс. Когда я был в космосе в 2013 году, нам накануне 12 апреля сказали — на космодром Восточный приезжает президент Владимир Путин, выйдет с вами на связь. Такая суета началась: нам днём и ночью начали звонить, проверять качество связи между Восточным и МКС. Всё прошло хорошо. Разбудили ночью, попросили улыбаться, мы быстренько оделись, а президент говорит: «Посоветуйте нам, вот хотим город назвать Циолковским». Я думаю: «Ничего себе, президенту советовать». Минут 20 поговорили. Мы, конечно, поддержали предложение. Это записали в протокол, оттуда всё и пошло.

В марте 2016 года стало известно об участии Романа Романенко в праймериз «Единой России» на выборы в Государственную Думу от Оренбургской области.

— Сюда я часто приезжал вместе с отцом, когда был маленьким, — рассказывал космонавт о причинах своего выдвижения. — Здесь у меня живут друзья-лётчики, с которыми когда-то учился или служил. Поэтому мне очень важно принести максимальную пользу оренбуржцам. Намерен работать с наказами избирателей, вникнуть в проблемы, важные для региона, и решать их на федеральном уровне.  

По итогам праймериз Роман Романенко стал лидером списка ЕР с 55,24% голосов. В последствии партия выдвинула его кандидатуру на выборы в составе федерального списка кандидатов. В региональной группе №14 (Самарская и Оренбургская области) Роман Романенко занимал шестую позицию. В результате голосования в сентябре 2016 года ему удалось пройти с этого места в Государственную думу.

Согласно опубликованной декларации о доходах за 2015 год, Роман Романенко заработал 8,53 млн рублей, тем самым став самым богатым депутатом в Госдуме от Амурской области. Его супруга задекларировала доход в 1,52 млн рублей. В собственности у Романа Романенко два автомобиля — BMW X1 XDRIVE 20 D и BMW 325, и катер, а у его супруги — Toyota Land Cruiser. Недвижимого имущества у депутата нет.

Награждён медалью «Золотая Звезда» Героя РФ (12 апреля 2010), медалями Вооружённых Сил Российской Федерации «За воинскую доблесть» II степени; медалями «За отличие в военной службе» I, II, III степени, медалью «За службу в ВВС», почётным знаком «50 лет космической эры», орденом Короны степени Командора (Бельгия, 2011), медалью «За заслуги в освоении космоса» (2011), орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени (2015).

Роман Романенко женат. Есть сын и дочь.