Iryna Petrenko gehört zu den erfolgreichsten Biathletinnen im Juniorenbereich der Ukraine ihrer Generation. Ihre ersten internationalen Rennen bestritt sie im Rahmen der Juniorenweltmeisterschaften 2009 in Canmore, wo sie 39. des Einzels, 27. eines Sprints und 28. der Verfolgung wurde. Mit Lidiya Shek und Julija Dschyma verpasste sie als Viertplatzierte knapp eine Medaille. Ein Jahr später wurde sie in Torsby 25. des Einzels, 21. des Sprints und der Verfolgung sowie mit Anastasiya Merkuschina und Julija Bryhynez Fünfte des Staffelbewerbs. Kurz daran nahm sie auch erstmals an den Juniorinnenrennen der Europameisterschaften 2010 in Otepää teil, wo sie 35. des Einzels, 29. des Sprints und 27. der Verfolgung wurde. Im weiteren Jahresverlauf nahm sie in Duszniki-Zdrój auch an den Juniorenrennen der Sommerbiathlon-Weltmeisterschaften 2010 teil und belegte die Plätze 22 im Sprint und 24 in der Verfolgung. Sehr erfolgreich verliefen die Juniorenweltmeisterschaften 2011 in Nové Město na Moravě. Petrenko wurde 13. des Sprints und verpasste als Sechste der Verfolgung und als Vierte des Einzels nur um wenige Ränge die Medaillenplätze. Mit Bryhynez und Merkuschyna gewann sie im Staffelrennen hinter Russland die Silbermedaille. Danach startete Petrenko wieder bei den Juniorenrennen der Europameisterschaften in Ridnaun, wo sie als Vierte des Einzels erneut knapp eine Medaille verpasste, Achte im Sprint und 20. in der Verfolgung sowie Siebte mit der Mixed-Staffel wurde. Im Sommer startete sie erneut bei den Juniorinnenrennen der Sommerbiathlon-Weltmeisterschaften 2011 in Nové Město na Moravě und verpasste auch hier mit Julija Dschyma, Wolodymyr Morawskyj und Oleksandr Dachno als Viertplatzierte knapp eine Medaille. In Sprint und Verfolgung wurde sie Siebte.
Besonders erfolgreich verliefen für Petrenko die Juniorinnenrennen der Europameisterschaften 2012 in Osrblie. Die Ukrainerin gewann im Sprint hinter Nija Dimitrowa die Silbermedaille, im Verfolgungsrennen den Titel. Den Medaillensatz komplettierte sie mit der Bronzemedaille im Mixed-Staffelrennen, die sie mit Merkuschina, Morawskyj und Dachno gewann. Im Einzel wurde sie Zehnte. Auch bei den Juniorenweltmeisterschaften 2012 in Kontiolahti gewann sie mit Alla Hylenko und Jana Bondar im Staffelrennen die Bronzemedaille. Im Einzel verpasste sie als Viertplatzierte gegen Jelena Badanina eine weitere Medaille nur knapp, im Sprint wurde sie 18., im Verfolgungsrennen Siebte. Bei den Juniorinnenrennen der Sommerbiathlon-Weltmeisterschaften 2011 in Ufa verpasste sie als Viertplatzierte im Sprint noch knapp die Medaillenränge, im Sprint hinter Olga Podtschufarowa sowie mit Bryhynez, Dachno und Dmytro Pidrutschnyj im Mixed-Staffelrennen mit hinter Russland gewann sie die Vizeweltmeistertitel. Letztmals an Juniorenweltmeisterschaften nahm Petrenko 2013 in Obertilliach teil und gewann dort mit Bryhynez und Hylenko hinter Deutschland die Vizeweltmeisterschaft. Im Sprint wurde Petrenko 23., in Verfolgung und Einzel 13. Bei den Juniorinnenrennen der Europameisterschaften 2013 in Bansko wurde sie 15., im Sprint Fünfte und im Verfolgungsrennen Achte. Für das Staffelrennen wurde sie zu den Frauen berufen.
Zum Auftakt der Saison 2010/11 gewann Petrenko in ihrem ersten Rennen bei den Frauen im IBU-Cup in Beitostølen mit Platz 17 in einem Sprint sogleich erste Punkte in der zweithöchsten Rennserie des internationalen Biathlons. Im folgenden Sprint schaffte sie mit Platz 16 in einem Sprint ihr bislang bestes Ergebnis im IBU-Cup. Erstes Großereignis bei den Frauen wurden die Europameisterschaften 2013, wo sie zunächst bei den Juniorinnen antrat, für das Staffelrennen aber in das Frauenteam berufen wurde. Mit Julija Dschyma, Jana Bondar und Marija Panfilowa gewann sie in dem Rennen die Bronzemedaille. Bei der Winter-Universiade 2013 im Trentino gewann sie Silber mit Jana Bondar, Witalij Kiltschyzkyj und Dmytro Pidrutschnyj in der Mixed-Staffel.
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