Родился 17 октября 1919 г. в г. Екатеринославе (впоследствии Днепропетровск, ныне Днепр, Украина) в еврейской семье. В школьные годы неоднократно побеждал на различных математических олимпиадах.
В 1936 г. Исаак Халатников поступил на физический факультет Днепропетровского государственного университета (ныне Днепровский национальный университет им. Олеся Гончара), окончил его в 1941 г. по специальности "теоретическая физика". На последнем курсе успешно сдал экзамены по теоретическому минимуму доктора физико-математических наук Льва Ландау - специальной программе для обучения молодых физиков, разработанной ученым. После успешной аттестации Ландау пригласил Халатникова продолжить обучение аспирантом в возглавляемый им отдел теоретической физики Института физических проблем Академии наук СССР.
Участник Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. После обучения в Высшей военной школе ПВО Военной академии им. М. В. Фрунзе (ныне Военный учебно-научный центр Сухопутных войск "Общевойсковая академия Вооруженных сил РФ") служил заместителем командира зенитной батареи, затем начальником штаба зенитного полка, командиром полка ПВО Москвы. Был демобилизован в 1945 г.
В 1944 г. Исаак Халатников был зачислен в аспирантуру Института физических проблем АН СССР (ныне ИФП им. П. Л. Капицы РАН), директором которого был академик Петр Капица. К учебе приступил только в сентябре 1945 г. после демобилизации. В ИФП работал младшим, затем старшим научным сотрудником, заведующим лабораторией. В составе отдела теоретической физики ИФП принимал участие в математических расчетах заряда образцов ядерного и термоядерного оружия, в т. ч. изделия РДС-6с (первая в мире водородная бомба, была испытана в 1953 г.).
Одновременно с 1947 г. преподавал на возглавляемой Ландау кафедре теоретической физики физико-технического факультета (ФТФ) Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. В 1951 г. на базе ФТФ МГУ был образован Московский физико-технический институт (МФТИ, ныне имеет статус университета), и кафедра вошла в его состав. В 1954 г. Халатников стал профессором МФТИ.
В 1948 г. защитил диссертацию на соискание кандидата физико-математических наук, в 1952 г. - докторскую диссертацию. Обе были посвящены физике низких температур (в частности, докторская - теории сверхтекучести).
В 1964 г. Исаак Халатников был назначен директором-организатором Института теоретической физики АН СССР (ныне ИТФ им. Л. Д. Ландау РАН, г. Черноголовка Московской обл.) и возглавлял его до 1992 г. С 1993 г. являлся почетным директором ИТФ им. Л. Д. Ландау РАН.
В 1966 г. выступил одним из основателей кафедры проблем теоретической физики МФТИ (образована на базе ИТФ им. Л. Д. Ландау), преподавал на ней.
В 1972 г. был избран членом-корреспондентом, в 1984 г. - академиком АН СССР (ныне Российская академия наук, РАН). Являлся членом Отделения физических наук РАН (секция общей физики и астрономии), членом президиума и ученого совета Научного центра РАН в Черноголовке.
Исаак Халатников скончался 9 января 2021 г. в подмосковной Черноголовке на 102-м году жизни. Похоронен на Макаровском кладбище близ Черноголовки.
Халатников был специалистом в области физики низких температур, квантовой теории поля, релятивистской астрофизики и др. областях теоретической физики. Совместно с Львом Ландау он создал теорию квантовых жидкостей и развил ее в применении к жидкому гелию. Халатников первым сформулировал методы функционального интегрирования для полей Ферми, которые применяются в квантовой теории поля и теории твердого тела. Построил теорию вязкости и релаксационных процессов в жидкости. Ему принадлежат работы по релятивистской космологии о поведении Вселенной на ранних стадиях ее развития (совместно с Евгением Лифшицем и Владимиром Белинским).
Автор и соавтор около 300 работ и книг. Среди них "К теории вязкости гелия II" (1948, совм. с Л. Ландау), "К теории электропроводности сильных электролитов" (1948), "Некоторые вопросы нерелятивистской гидродинамики" (1954), "Основы электродинамики" (1954, с Л. Ландау и А. Абрикосовым), "Об одной модели неидеального ферми-газа" (1957, с А. Абрикосовым), "О гидродинамических флуктуациях в сверхтекучей жидкости" (1957), "Современная теория сверхпроводимости" (1958, с А. Абрикосовым), "Об особенностях космологических решений уравнений гравитации" (1960-1961, с Е. Лифшицем), "Проблемы релятивистской космологии" (1963, с Е. Лифшицем), "Квантовые жидкости" (1965), "Теория сверхтекучести" (1971) и др.
Написал книгу-воспоминание "Дау, Кентавр и другие" (2007) о Льве Ландау, Петре Капице и других советских физиках.
Был награжден орденами "Знак Почета" (1950), Трудового Красного Знамени (1954, 1956, 1975), Дружбы народов (1979, 1994), Отечественной войны II степени (1985), Октябрьской Революции (1986), "За заслуги перед Отечеством" III степени (1999), Александра Невского (2020), медалью "За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.".
Лауреат Сталинской премии II степени (1953, за расчетно-теоретические работы по изделиям РДС-6с и РДС-5).
Вклад Исаака Халатникова в науку был отмечен премией им. Л. Д. Ландау АН СССР (1974), премией Гумбольдта Фонда Александра фон Гумбольдта (Германия, 1989), золотой медалью им. И. Е. Тамма РАН (2010), международной премией Марселя Гроссмана (2012) и др.
В 1994 г. он был избран иностранным членом Лондонского Королевского общества (Великобритания).