Ирина Антонова родилась 20 марта 1922 года в Москве. Отец ее, А. А. Антонов, большевик, участник Октябрьской революции, возглавлял Институт экспериментального стекла. Мать, Ида Михайловна, училась когда-то в консерватории, но не окончила ее и работала корректором в типографии. Родители Ирины познакомились во время Гражданской войны. Однако вскоре после рождения дочери семья распалась, отец ушел к другой женщине, которая также родила ему дочь. Девочку назвали Галина. В будущем она станет художницей по стеклу, будет преподавать в Строгановском училище.
В начале 30-х годов Ирина Антонова жила с отцом и сестрой в Берлине, куда ее отец был командирован для работы в торговом представительстве. В то время Антонова начала увлекаться спортом – гимнастикой на разновысоких брусьях и плаванием. Интерес к спорту она сохранит на всю жизнь. Например, по ее собственному признанию, во время московской Олимпиады (1980) она специально брала отпуск, чтобы не пропускать спортивных состязаний.
По возвращении в Москву Ирина поселилась с матерью. Позже она назовет себя «очень советским ребенком». По ее словам, в те годы в ней сформировалось убеждение, что она должна посвятить жизнь своей стране, должна строить вместе с согражданами великое будущее советской державы. Эта убежденность, вера в необходимость служить Родине, будет сопутствовать Ирине Антоновой на протяжении всего жизненного пути.
В детском возрасте Ирина Антонова мечтала стать балериной – танцевать в театре или на арене цирка, однако судьба привела ее в МИФЛИ – Московский институт философии, литературы и истории, где она училась на искусствоведческом отделении. Правда, МИФЛИ в скором времени вошел в состав МГУ, и Ирина Антонова оказалась на филологическом факультете Московского университета. Среди ее преподавателей были видные представители советского искусствоведения: М. В. Алпатов, В. Н. Лазарев, Б. Р. Виппер.
Во время войны Ирина Антонова отучилась на курсах медицинских сестер. В звании младшего сержанта она трудилась в госпитале на Бауманской улице: по ночам участвовала в проведении операций, а днем продолжала ходить на занятия в университет. Окончив филфак МГУ в 1945 году, Антонова пришла на работу в Пушкинский музей, здесь же поступила в аспирантуру. Научные интересы ее были сосредоточены на искусстве эпохи Возрождения, благо Ирина Александровна владела итальянским, а в придачу к нему немецким и французским языками.