Родился 26 ноября 1894 г. (по старому стилю - 14 ноября 1894 г. ) в гор. Севастополе (в Таврической губернии Российской империи, ныне - город федерального значения РФ) в семье портового матроса.
В 1909 г. окончил земскую начальную школу, в 1929 г. - специальные курсы Общества содействия обороне, авиационному и химическому строительству (ОСОАВИАХИМ; ныне - ДОСААФ России), в 1931 г. - Высшие курсы связи Народного комиссариата почт и телеграфов СССР, в 1932 г. - первый курс факультета связи Всесоюзной плановой академии им. В. М. Молотова при Госплане СССР.
Доктор географических наук (ученая степень присуждена в 1938 г. за руководство полярной экспедицией на первой дрейфующей станции "Северный полюс - 1").
С 1909 г. работал учеником токаря, токарем механических мастерских Севастопольского порта, с 1912 г. - токарем на судостроительном заводе в г. Ревеле (ныне - Таллин, Эстония).
С декабря 1914 г. по 1917 г. служил матросом Севастопольского военного порта Российского императорского флота.
После Октябрьской революции 1917 г. был членом Черноморского отряда революционных моряков в Крыму. Во время Гражданской войны, в 1918-1920 гг., участвовал в диверсионных операциях на полуострове и Украине. Входил в Революционный военный совет Крымской революционной повстанческой армии.
В 1919 г. вступил в Российскую коммунистическую партию (большевиков), ВКП(б), впоследствии - КПСС.
С ноября 1920 г. занимал пост коменданта Крымской чрезвычайной комиссии по борьбе с контрреволюцией и саботажем, в начале 1921 г. был переведен в Харьков на пост военного коменданта Украинского ЦИК. В марте 1921 г. стал секретарем Революционного военного совета Морских сил Черного моря (Севастополь).
В апреле 1922 г. был переведен в Москву комиссаром административного управления Главного морского техническо-хозяйственного управления Народного комиссариата по военным и морским делам СССР. В 1923 г. демобилизовался.
С 1923 г. работал в Народном комиссариате почт и телеграфов СССР (НКПТ СССР), занимал должность ответственного руководителя по организации связи в Якутии. В 1927 г. был заместителем начальника экспедиции по строительству радиостанции на золотых приисках пос. Незаметный (ныне - г. Алдан, Якутия). Затем возглавлял Центральное управление военизированной охраны НКПТ СССР. В 1931 г. в качестве представителя наркомата участвовал в арктической экспедиции на ледоколе "Малыгин" к Земле Франца-Иосифа (бухта Тихая).
В 1932-1933 гг. - начальник полярной станции в бухте Тихая, в 1934-1935 гг. - начальник полярной станции на мысе Челюскин полуострова Таймыр.
В 1937-1938 гг. возглавлял первую советскую научно-исследовательскую дрейфующую станцию "Северный полюс - 1" ("СП-1"), положившую начало изучению высокоширотных районов северного полярного бассейна Мирового океана. Дрейф полярников на льдине начался в 30 км от Северного полюса и продолжался 274 дня, из-за разрушения ледовой площадки они были эвакуированы ледокольными пароходами "Мурман" и "Таймыр".
В 1938 г. был назначен заместителем начальника Главного управления Северного морского пути при Совете народных комиссаров СССР (Главсевморпуть; образован в 1932 г. для освоения Крайнего Севера; ныне - ФГБУ "Администрация Северного морского пути" при Росморречфлоте).
С 1939 по 1946 г. - начальник Главсевморпути. Осуществлял руководство строительством мощных ледоколов. В декабре 1939 г. организовал и возглавил экспедицию по выводу из ледового плена ледокола "Георгий Седов" (217 человек на борту). В январе 1940 г. судно, дрейфовавшее 812 дней, было вызволено из плена с помощью ледокола "Иосиф Сталин".
Одновременно в годы Великой Отечественной войны, с октября 1941 г. был уполномоченным Государственного комитета обороны по морским перевозкам в Белом море и организации погрузки и выгрузки в Архангельском порту. Под его руководством были построены железнодорожные линия от порта до ст. Жаровиха и переправа через р. Северную Двину, проведена реконструкция портовых причалов Архангельска и Молотовска (ныне - Северодвинск).
В 1946 г. покинул пост главы Главсевморпути по состоянию здоровья.
С 1946 г. до 1986 г. возглавлял московский филиал Географического общества СССР.
В 1948-1951 гг. занимал должность заместителя директора Института океанологии Академии наук СССР (АН СССР) по экспедициям.
С 1951 по 1986 г. - начальник отдела морских экспедиционных работ при Президиуме АН СССР, который был организован для создания научно-исследовательского флота.
Одновременно, в 1951-1956 гг. являлся уполномоченным Президиума АН СССР по вопросам реконструкции и строительства биологической станции близ пос. Борок Некоузского района Ярославской области, был директором биостанции. В 1956 г. на ее базе был создан Институт биологии водохранилищ АН СССР (с 1962 г. - Институт биологии внутренних вод; с 1987 г. носит его имя). Стал первым директором института и возглавлял его до 1972 г.
Избирался депутатом Верховного совета СССР первого и второго созывов (1937-1946; 1946-1950).
Скончался 30 января 1986 г. в Москве в возрасте 91 года. Похоронен на Новодевичьем кладбище столицы.
Контр-адмирал (1943).
Был дважды удостоен звания Героя Советского Союза (1937, 1940). Кавалер девяти орденов Ленина (1937, 1938, 1944, 1944, 1945, 1956, 1964, 1974, 1984, всего лишь восемь человек за всю историю СССР были удостоены этого ордена девять раз). Награжден двумя орденами Красного Знамени (1922, 1950), орденами Трудового Красного Знамени (1955, 1980), Октябрьской Революции (1971), Красной Звезды (1945), Нахимова I степени (1945), Отечественной войны I степени (1985), Дружбы народов (1982), также медалями, в их числе "За боевые заслуги" (1944).
Отмечен Золотой медалью им. С. О. Макарова АН СССР (1984; "за выдающийся вклад в развитие научных исследований в Северном Ледовитом океане и за создание научно-исследовательского флота страны").
Почетный гражданин городов Мурманска, Севастополя, Архангельска, Липецка, первый почетный гражданин Ярославской области (1982).
Автор научно-популярных книг "Жизнь на льдине" (1938), "Лед и пламень" (1977) и др.
Иван Папанин около 50 лет состоял в гражданском браке с Галиной Кирилловной Касторживской, которая вместе с ним участвовала в ряде трудных зимовок. Вторым браком был женат на Раисе Васильевне Короленко, редакторе "Политиздата".