Innocenti nacque in una famiglia benestante romana, figlio di un architetto, nel periodo subito successivo all’unificazione italiana. Il suo primo contatto con la pittura fu attraverso un amico di famiglia, Ludovico Seitz, che lo volle come modello per un affresco nella Galleria dei Candelabri in Vaticano, quando aveva 14 anni.

Ad Innocenti fu chiaro da quel momento quale percorso intraprendere nella vita e con un talento precoce iniziò a dipingere tele accademiche sotto la tutela di Seitz. La sua formazione artistica contò meno di un anno presso l'Istituto di Belle Arti di Roma, che abbandonò nella totale disillusione nei confronti dell'insegnamento accademico. Dopo questo periodo la sua evoluzione passò più per l’influenza di suoi contemporanei come Antonio Mancini, Domenico Morelli e Ettore Tito (con il quale trascorse a dipingere l'estate del 1898 a Venezia).

Intorno al 1890 espose in Italia e Germania, e nel 1895 illustrò il primo di diversi libri per Pirandello (lo scrittore gli dedicò l’Erma Bifronte nel 1906).Un viaggio in Spagna nel 1899 lo segnò indelebilmente, e da allora fece delle scene di vita contadina, con i costumi colorati e il folklore locale, la materia principale dei suoi soggetti.Ritornato a Roma, divenne uno dei membri fondatori dei “25 della Campagna Romana”, un gruppo di artisti (tra cui Dante Ricci, Enrico Coleman, Umberto Coromaldi e Onorato Carlandi) che si radunavano a dipingere e a conversare nella campagna fuori Roma.

Nel 1903 espose tre opere alla Biennale di Venezia; queste opere segnarono, nello stile, una svolta verso il Divisionismo, e i suoi soggetti prefigurarono aneddotiche scene di interni con donne allo specchio, nella toilette e nell’atto di sedersi, che caratterizzano la sua pittura nei primi anni di questo secolo. Nel 1909 ebbe una sala intera dedicata a lui alla Biennale e le 20 opere che espose ancora parsero nebulose, con interni borghesi a ricordare Boldini e Vuillard, e paesaggi en plein-air che in alcuni casi convergevano verso una gamma cromatica quasi fauvista.

Nel 1912 Innocenti era in prima linea nel movimento artistico di Roma e il suo coinvolgimento con l'organizzazione della Secessione romana lo portò a Parigi con l'obiettivo di invitare Rodin a vedere la prima mostra del 1913, di cui Balla aveva progettato il manifesto. Lo stesso motivo in seguito lo portò in contatto con Klimt, la cui influenza si può evincere nella svolta Liberty in alcune opere di Innocenti del periodo (e anche in alcune delle opere del  successivo “periodo egizio”).

Queste mostre furono bruscamente interrotte dal drammatico sopraggiungere della prima guerra mondiale, nella quale Innocenti partecipò. Negli anni del dopoguerra egli si dedicò, forse a causa della confusione politica ed economica del momento, al lavoro cinematografico, progettando costumi e scenografie per vere pietre miliari quali Redenzione e Ben Hur.

Nel 1923 l'industria cinematografica stava crollando e Innocenti fece il suo primo viaggio in Egitto per organizzare una mostra delle sue opere. Questa esperienza lo portò a fondare il Cairo Beaux Arts, di cui è divenne direttore; questa responsabilità lavorativa lo bloccò in Egitto per i successivi 15 anni. Questa assenza dall’Italia ebbe l'effetto di allontanarlo dagli sviluppi dei movimenti artistici del momento, e al suo ritorno a Roma, nel 1938, egli si rese conto di essere fuori dal nostro mondo.

Nei suoi ultimi anni fu insignito della Legion d'Onore e della Croce di San Maurizio e Lazzaro. Una mostra monografica fu messa in piedi nel 1954 e il suo ultimo gesto pubblico come artista fu la pubblicazione della sua autobiografia Ricordi d'Arte e di Vita, nel 1959.

Morì a Roma il 4 luglio del 1961.