Народився 26 листопада 1894 р. в м. Севастополь (нині Автономна Республіка Крим, Україна) у родині портового матроса. Закінчив 4 класи земської початкової школи. З 1909 р. навчався на учня токаря механічних майстерень. Із червня 1912 р. до грудня 1913 р. працював токарем на Севастопольському заводі навігаційного обладнання. Як кваліфікований робітник, був направлений на суднобудівний завод у м. Ревель (нині м. Таллінн, Естонія), де працював з грудня 1913 р. до грудня 1914 р. Звідти на початку 1915 р. був призваний на військову службу як фахівець з ремонту суднового обладнання Чорноморського флоту.
У жовтні 1917 р. вступив до 1-го Чорноморського загону Червоної гвардії. У 1918–1920 рр. у складі Робітничо-Селянської Червоної Армії (РСЧА) брав активну участь у захопленні влади в Севастополі та Сімферополі. З 1920 р. І. Папанін – комісар оперативного відділу штабу морських сил Південно-Західного фронту. З листопада 1920 р. – комендант Кримської Надзвичайної Комісії. Брав участь у масових розстрілах військовослужбовців Білої армії, а також мешканців Криму непролетарського походження: викладачів та учнів, сестер милосердя, священників, підприємців, інженерів, лікарів, а також – у конфіскаціях їхнього майна. Сам Папанін свою діяльність у ВНК визначав як дії «санітара революції». Влітку 1921 р. потрапив до лікарні з діагнозом «нервове виснаження». У 1921 р. І. Папанін переведений до Харкова військовим комендантом Української ЦВК. З липня 1921 до березня 1922 р. працював секретарем Реввійськради Чорноморського флоту.
Влітку 1922 р. І. Папаніна направлено до Москви на посаду комісара господарського управління Народного комісаріату морських справ, у 1923 р. – до Народного комісаріату пошти і телеграфів – керівником справами і начальником Центрального управління воєнізованої охорони. У 1923–1925 рр. І. Папанін навчався на Вищих курсах зв’язку. По їх закінченню відбув до м. Томмот (Якутія) як заступник начальника експедиції з будівництва радіостанції. У 1932–1933 рр. був начальником полярної станції Бухта Тиха (Земля Франца-Іосифа), а у 1934–1935 рр. – станції на мисі Челюскін.
Вручення І. Папаніну грамоти Президії Верховної Ради СРСР про присвоєння звання Героя Радянського Союзу, березень 1938 р.
У 1937–1938 рр. очолив першу у світі дрейфуючу станцію «Північний полюс-1». Дев’ятимісячний дрейф цієї експедиції став найбільшим географічним дослідженням ХХ ст. Наукові результати експедиції отримали високу оцінку Загальних зборів АН СРСР 6 березня 1938 р. І. Папанін разом з іншими членами експедиції отримали вчені ступені докторів географічних наук та були обрані почесними членами Всесоюзного географічного товариства. 27 червня 1937 р. І. Папанін удостоєний звання Героя Радянського Союзу.
У 1939–1946 рр. працював начальником Головного управління Північного морського шляху. На початку 1940 р. очолював експедицію з порятунку криголама «Георгій Сєдов». 3 лютого 1940 р. І. Папанін вдруге удостоєний звання Героя Радянського Союзу. З 15 жовтня 1941 р. призначений уповноваженим Державного Комітету з перевезень на Білому морі. У 1943 р. отримав звання контр-адмірала.
Після нетривалої пенсії за станом здоров’я (1946–1949 рр.), І. Папанін до кінця життя займався науковою діяльністю. Був заступником директора Інституту океанології АН СРСР з експедицій (1949–1951 рр.); з 1956 р. – директором Інституту біології внутрішніх водоймищ АН СРСР. З 1969 р. очолював Службу космічних досліджень Відділу морських експедиційних робіт АН СРСР. Був головою Московської філії Географічного товариства СРСР.
Депутат Верховної Ради СРСР І та ІІ скликань. Автор книг «Життя на крижині» (1938), «Лід і полум’я» (1977). Почесний громадянин міст Архангельськ, Липецьк, Мурманськ, Ярославської обл. (РФ), м. Севастополь (Україна). Постійно проживав у м. Москва. І. Папанін помер 30 січня 1986 р. Похований на Новодівичому цвинтарі.
Меморизація:
Пам’ятники досліднику Арктики споруджені в Севастополі й Мурманську. На будинку в Москві на Арбаті, де проживав І. Папанін, встановлена меморіальна дошка. На Історичному бульварі в Севастополі діє музей «Папанін – севастопольський Колумб», який присвячений життю дослідника.
Нагороди:
дві медалі «Золота Зірка» Героя Радянського Союзу (27.06.1937, 03.02.1940)
дев’ять орденів Леніна (27.06.1937, 22.03.1938, 01.05.1944, 26.11.1944, 02.12.1945, 30.12.1956, 26.11.1964, 26.11.1974, 23.11.1984)
орден Жовтневої Революції (20.02.1971)
два ордени Червоного Прапора (1922, 15.11.1950)
орден Нахімова І ступеня (08.07.1945)
орден Вітчизняної війни І ступеня (11.03.1985)
два ордени Трудового Червоного Прапора (22.01.1955, 08.01.1980)
орден Дружби народів (17.12.1982)
орден Червоної Зірки (10.11.1945)
медаль «За бойові заслуги» (03.11.1944)
медаль «За оборону Москви» (1944)
медаль «За оборону Радянського Заполяр’я» (1945)
медаль «За перемогу над Німеччиною у Великій Вітчизняній війні 1941–1945 рр.» (1945)
медаль «За перемогу над Японією» (07.03.1946)