Родился 20 августа (1 сентября) 1855 в Омске. Учился в нескольких петербургских гимназиях. Однако в связи с материальным положением семьи Анненскому пришлось доучиваться на дому и экстерном сдавать экзамены на аттестат зрелости. В 1875 он поступил в Санкт-Петербургский университет на историко-филологический факультет, где специализировался по античной литературе и овладел четырнадцатью языками, в том числе санскритом и древнееврейским. В круг его интересов входили также русский и славянский фольклор. Окончил университет в 1879 со званием кандидата, которое присваивалось выпускникам, дипломные сочинения которых представляли особую научную ценность.

В 1879-1890 преподавал латынь и греческий в петербургских гимназиях, читал лекции по теории словесности на Высших женских (Бестужевских) курсах, печатал в «Журнале министерства народного просвещения» и журналах «Воспитание и обучение» и «Русская школа» статьи и рецензии. В 1891 был назначен на пост директора привилегированной киевской гимназической Коллегии. Уже в 1892 его «воззрения на учебно-воспитательное дело» оказываются несовместимы с этой престижной должностью, однако директорство за ним сохраняют — сперва в столичной гимназии (1893-1896), затем в царскосельской, находившейся под особым покровительством императорской семьи. В 1906 был назначен на должность инспектора Санкт-Петербургского учебного округа.

Свои ранние стихотворные опыты Иннокентий Анненский называл «чепухой» и уничтожил. Случайно сохранился лишь отрывок под названием «Из поэмы «Mater Dolorosa» (1874), целиком состоящий из лирических штампов. В университете Анненский «влюбился в филологию и ничего не писал, кроме диссертаций»; к поэтическому творчеству он заново обратился в конце 1890-х годов. О значении для Иннокентия Анненского филологии и педагогики свидетельствуют начатые в Киеве «Педагогические письма» — своего рода программа эстетического воспитания старшеклассников, предполагавшая прежде всего углубленное вчитывание в художественный текст. Ее наглядно иллюстрируют написанные тогда же статьи «Об эстетическом отношении Лермонтова к природе» и «Гончаров и его Обломов», вполне зрелые и показательные, выявляющие внутреннюю структуру творчества, «искусство мысли» писателя (так называется его статья 1908 о Достоевском).

Тогда же, в Киеве, возник грандиозный замысел Иннокентия Анненского - перевести на русский язык все 19 трагедий Еврипида. Замысел был реализован: переводы по мере завершения публиковались с предисловиями-истолкованиями в «Журнале Министерства народного просвещения» и вышли посмертно в четырех томах (1916-1917) под редакцией Ф.Ф. Зелинского. Эта огромная работа легла в основу поэтического творчества Иннокентия Анненского. С ней непосредственно связаны его драматические произведения: стихотворные трагедии «Меланиппа-философ» (1901) и «Царь Иксион» (1902), «лирическая трагедия» «Лаодамия» (1906) и «вакхическая драма» «Фамира-кифарэд» (окончена в 1906, опубл. в 1913). Драмы Иннокентия Анненского содержали множество самостоятельных лирических текстов, однако прошли незамеченными, и поэтическим дебютом Иннокентия Анненского явилась книга «Тихие песни» с приложением сборника стихотворных переводов. «Парнасцы и проклятые» (1904), опубликованная под псевдонимом (анаграммой имени автора) «Ник. Т-о»; предполагалось, по-видимому, что читатель вспомнит, что именно так Одиссей назвался циклопу Полифему — и вовсе не из скромности. Переводная часть книги являлась стилистическим ключом: общая лирическая тональность была выдержана в духе французских поэтов-символистов — от их предшественника Бодлера до А.де Ренье (все они представлены в подборке переводов). Это стилистическое единство А. Блок в своей запоздалой и прохладной рецензии на книгу, которую счел чьим-то робким дебютом, назвал «угаром декадентских форм», препятствующих «чистым ощущениям» «человеческой души, убитой непосильной тоской». Не более прозорливым и менее снисходительным оказался и другой рецензент книги — В. Брюсов.

Правда, Иннокентий Анненский не рассчитывал на успех и понимание. «Нисколько не смущаюсь тем, что работаю исключительно для будущего», — писал он в 1899; и после издания незамеченных «Тихих песен» пишет, оттачивая свою чуждую всем стандартам критическую прозу, ряд оригинальных по мысли и слогу статей о Н.В. Гоголе, Ф.М. Достоевском, И.С. Тургеневе, А.П. Чехове и в заключение о лирике К. Бальмонта, где формулирует выношенные представления о природе художественного слова в поэзии. Статьи были собраны в «Книге отражений» (1906) и встречены с безразличием и недоумением; в частности, К. Чуковский обвинил автора в крайнем субъективизме, что не помешало ему оказать Анненскому содействие в публикации «Второй книги отражений» (1909), включавшей, помимо статей о русской классике, исследования творчества Г. Гейне и Х. Ибсена, образов Гамлета и Иуды. Ее походя упрекнули за «ненужно-туманный язык», «неожиданные и необоснованные «модернистские» тенденции», за «утонченную, мудреную… манеру критического письма» и вообще за «недосказанность». Еще большее раздражение вызвала программная обзорная статья Иннокентия Анненского «О современном лиризме», опубликованная в новом литературно-художественном журнале «Аполлон». Публикация там же представительной подборки стихотворений из новой книги была отложена на неопределенный срок. За статью пришлось извиняться в «Письме к редактору». По-видимому, с этим была связана скоропостижная кончина Анненского: его вторая книга лирики «Кипарисовый ларец» опубликована посмертно в 1910. О ней весьма уважительно отозвались (в том же «Аполлоне») М. Волошин, Н. Гумилев, Вяч. Иванов; готовность признать «искренность» и оригинальность поэзии Анненского выразил несколько позже и Брюсов.

Действительно, книга Иннокентия Анненского резко выделялась своеобразием построения, содержания, интонаций и поразительной художественной законченностью. Еще в «Тихих песнях» наметилось сочетание стихотворений по функциональному признаку — общности поэтического переживания и соответственного соотношения реалий: «мучительные сонеты», «фортепьянные сонеты», «бессонницы», «параллели» и т.д. В «Кипарисовом ларце» такое сочетание (Брюсов в рецензии назвал его «искусственным и претенциозным») приобрело устойчивый и принципиальный характер: разделы книги носили названия «Трилистники», «Складни» и «Разметанные листы», тремя годами предвосхитившие «Опавшие листья» В.В. Розанова. В полной мере реализована поэтическая установка Тихих песен, которой Иннокентий Анненский в большой степени обязан французским символистам и в особенности Бодлеру: сочетание (нередко причудливое и даже несуразное) трагического, возвышенно-поэтического мировосприятия с будничными реалиями и разговорной речью. В первоначальном варианте книги эта установка явствовала из своеобразного эпиграфа — стихотворения в прозе в бодлеровском духе «Мысли-иглы». Результатом ее было впечатляющее поэтическое новаторство, которое оценили и на свой лад использовали как футуристы (в особенности В.В. Маяковский), так и акмеисты (в особенности А.А. Ахматова, для которой корректура «Кипарисового ларца» послужила поэтическим напутствием: она «была поражена и читала ее, забыв все на свете»). По-видимому (об этом свидетельствует Блок, в 1909 сблизившийся с Анненским), готовилась третья книга: о ее составе и характере можно судить по опубликованному сыном поэта В. Кривичем в 1923 и никем не замеченному сборнику «Посмертные стихи»; он включал такие шедевры лирики Анненского, как «Сила Господняя с нами», «Зимний сон», «Что счастье?», «Петербург» и «Песни с декорацией».

В 1921 в Петрограде состоялся вечер, посвященный памяти Иннокентия Анненского, по свидетельству В. Ходасевича, «собравший огромную аудиторию»; на нем «стихи Анненского читала Анна Ахматова». Несколько десятилетий после этого имя Анненского оставалось в забвении (правда, в 1939 по недосмотру вышел прекрасно подготовленный А.В. Федоровым сборник лирики в малой серии «Библиотеки поэта»).

Умер Анненский в Санкт-Петербурге 30 ноября (13 декабря) 1909.