Родился 9 августа 1971 г. в г. Щелково Московской области в семье космонавта, дважды Героя Советского Союза Юрия Викторовича Романенко (род. 1944). По окончании 8-ми классов средней школы им. В. М. Комарова в Звездном городке (Щелковский район Московской обл.) поступил в Ленинградское (ныне - Санкт-Петербургское) суворовское военное училище и окончил его в 1988 г.
В 1992 г. окончил Черниговское высшее военное авиационное училище летчиков (ВВАУЛ; Украина) по специальности "командная, тактическая истребительная авиация", в 2013 г. - Российскую академию народного хозяйства и государственной службы при Президенте РФ, "государственное и муниципальное управление".
По окончании Черниговского ВВАУЛ служил в 70-м отдельном испытательном тренировочном авиаполке особого назначения им. В.С. Серегина, который входил в структуру 1-го Научно-исследовательского испытательного центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина (ЦПК; в то время находился в ведении Минобороны РФ; с 2009 г. - Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов, НИИ ЦПК, им. Ю.А. Гагарина в составе Роскосмоса). Был инженером лаборатории обработки информации отделения контрольно-регистрирующей аппаратуры (1992), помощником командира корабля авиаотряда авиационной эскадрильи (1992-1997). Освоил самолеты L-39, Ту-134; общий налет - около 800 часов.
26 декабря 1997 г. приказом Минобороны РФ был зачислен в отряд космонавтов ЦПК на должность кандидата в космонавты-испытатели. После двухгодичной подготовки, 22 декабря 1999 г. был назначен космонавтом-испытателем. В августе 2009 г. приказами Минобороны и начальника ЦПК был переведен из ликвидируемого военного в гражданский отряд космонавтов. Был инструктором-космонавтом-испытателем и одновременно заместителем командира (с 2012 г.) отряда космонавтов.
Совершил два космических полета общей продолжительностью 333 сут. 10 ч. 58 мин. и один выход в открытый космос (6 ч 37 мин.).
Первый полет осуществил 27 мая - 1 декабря 2009 г. в качестве командира корабля "Союз ТМА-15" и бортинженера 20/21-й основной экспедиции на Международную космическую станцию (МКС). Вместе с ним на станцию прибыли другие члены экспедиции МКС-20/21 - бельгиец Франк де Винне и канадец Роберт Тёрск.
Во второй раз побывал в космосе 19 декабря 2012 г. - 14 мая 2013 г. Был командиром корабля "Союз ТМА-07М" и бортинженером экспедиции МКС-34/35. Выходил в открытый космос с борта МКС.
5 ноября 2014 г. приказом начальника ЦПК был освобожден от должности инструктора-космонавта-испытателя. Однако остался работать в НИИ ЦПК им. Ю. А. Гагарина заместителем командира отряда космонавтов, занимал эту должность до 2015 г.
В 2015-2016 гг. – депутат Государственной думы РФ VI созыва. В 2011 г. баллотировался в Госдуму по списку партии "Единая России", однако по итогам распределения мест депутатский мандат не получил. 14 октября 2015 г. получил вакантный мандат депутата от "Единой России" Ростислава Гольдштейна, который ушел в Совет Федерации РФ. В Госдуме VI созыва был членом фракции "Единая Россия", входил в состав комитета по обороне.
В 2016-2021 гг. – депутат Государственной думы РФ VII созыва. Избран 18 сентября 2016 г. по списку партии "Единая Россия" (шестой номер в региональной группе №14; Оренбургская область, Самарская область, Ульяновская область). Член фракции "Единая Россия".
С июля 2018 г. по декабрь 2020 г. был начальником главного штаба (лидером) Всероссийского военно-патриотического общественного движения "Юнармия".
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва от "Единой России". Был избран 19 сентября 2021 г. по Чертановскому одномандатному избирательному округу №210 (Москва). Набрал 40,23% голосов (второе место в округе занял помощник депутата Московской гордумы Михаил Таранцов от КПРФ, 24,72%).
Полковник (в запасе).
Военный летчик 3-го класса (1994), инструктор парашютно-десантной подготовки, офицер-водолаз. Инструктор-космонавт-испытатель 2-го класса.
Герой Российской Федерации (2010; с вручением медали "Золотая Звезда"). Награжден орденом "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2015), медалью "За заслуги в освоении космоса" (2011). Командор бельгийского ордена Короны (2011).
Отмечен медалями Вооруженных сил РФ "За воинскую доблесть" II степени, "За отличие в военной службе» I, II, III степени, "За службу в ВВС".
Летчик-космонавт РФ (2010).