Ирина Антонова родилась в Москве. Искусствоведческое образование получила в МГУ. В годы войны работала медсестрой в госпитале. С 1945 года — сотрудник Музея имени Пушкина; ее научная специализация — искусство Италии эпохи Возрождения. С 1961 года — директор Музея изобразительных искусств. Автор сотен публикаций на научные темы, лауреат Государственной премии России и других престижных наград.
Об Ирине Антоновой говорит театральный художник Борис Мессерер, автор концепций художественного оформления многих крупных выставок Музея изобразительных искусств имени А.С. Пушкина: «Ирина Александровна поражает меня при каждой встрече каким-то неуловимым и всегда новым качеством своего человеческого, культурного и личного гения. Я много раз присутствовал на так называемых переговорах с представителями различных музеев мира. Это деловые переговоры. Ирина Александровна поразительно их проводит. Это род определенного спектакля, потому что поразительное чувство достоинства и соблюдения интересов российского музейного дела и просто России, она стоит на страже этих интересов.
Кроме того, Ирина Александровна обладает замечательным чувством вкуса. Она и выставки выбирает потрясающие, и темы. Одним из самых выдающихся ее деяний является идея проведения "Декабрьских вечеров" в музее. Идея, рожденная совместно со Святославом Теофиловичем Рихтером — соединение музыки и изобразительных искусств, живописи. Ирина Александровна, благодаря своей дружбе и соотношению с великими музыкантами — Башметом, Рихтером (много имен можно перечислить), реализует эту идею уже почти тридцать лет. В музее проходят концерты самых выдающихся музыкантов мира. Это заслуга Ирины Александровны Антоновой.
Все время реализуется идея расширения территории музея. Все эти дома, так или иначе, постепенно — при величайшем содействии Ирины Александровны — отходят в пользу, на дело Музея изобразительных искусств. Сейчас уже существует Музей импрессионистов, Музей частных коллекций, Детский центр и так далее, целый культурный центр Москвы. Это единственное, может быть, что удалось сделать в новейшее время в Москве во имя спасения российских и московских культурных ценностей в центре города».