Иннокентий Фёдорович Анненский родился 20 августа (1 сентября) 1855 года в Омске, в семье государственного чиновника Фёдора Николаевича Анненского (умер 27 марта 1880 года) и Наталии Петровны Анненской (умерла 25 октября 1889 года). Его отец был начальником отделения Главного управления Западной Сибири. Когда Иннокентию было около пяти лет, отец получил место чиновника по особым поручениям в Министерстве внутренних дел, и семья из Сибири вернулась в Петербург, который ранее покинула в 1849 году.

Слабый здоровьем, Анненский учился в частной школе, затем — во 2-й петербургской прогимназии (1865—1868). С 1869 года он два с половиной года обучался в частной гимназии В. И. Беренса. Перед поступлением в университет, в 1875 году он жил у своего старшего брата Николая, энциклопедически образованного человека, экономиста, народника, помогавшего младшему брату при подготовке к экзамену и оказывавшего на Иннокентия большое влияние.

По окончании в 1879 году историко-филологического факультета Петербургского университета служил преподавателем древних языков и русской словесности. Был директором коллегии Галагана в Киеве, затем VIII гимназии в Санкт-Петербурге и гимназии в Царском Селе. Чрезмерная мягкость, проявленная им, по мнению начальства, в тревожное время 1905—1906 годов, была причиной его удаления с этой должности. В 1906 году он был переведён в Санкт-Петербург окружным инспектором и оставался в этой должности до 1909 года, когда он незадолго до своей смерти вышел в отставку. Читал лекции по древнегреческой литературе на Высших женских курсах. В печати выступил с начала 1880-х годов научными рецензиями, критическими статьями и статьями по педагогическим вопросам. С начала 1890-х годов занялся изучением греческих трагиков; выполнил в течение ряда лет огромную работу по переводу на русский язык и комментированию всего театра Еврипида. Одновременно написал несколько оригинальных трагедий на еврипидовские сюжеты и «вакхическую драму» «Фамира-кифарэд» (шла в сезон 1916—1917 на сцене Камерного театра). Переводил французских поэтов-символистов (Бодлер, Верлен, Рембо, Малларме, Корбьер, А. де Ренье, Ф. Жамм и др.).

30 ноября (13 декабря) 1909 года Анненский скоропостижно скончался на ступеньках Царскосельского вокзала в Санкт-Петербурге. Похоронен на Казанском кладбище.

Сын Анненского, филолог и поэт Валентин Анненский-Кривич, издал его «Посмертные стихи» (1923).