Родился в Петербурге в дворянской семье (1887). Окончил Петербургский университет по специальности «Физическая химия» с дипломом I степени (1910).
Один из организаторов Государственного оптического института (ГОИ) в 1918 году. По поручению директора ГОИ академика Д. С. Рождественского создал химическую лабораторию, преобразованную затем в научный химический отдел, которым руководил до 1953 года. В 1932 году избран академиком Академии наук СССР по отделению «Математика и естественные науки». С 1938 года был членом Бюро отделения химических наук и членом Президиума Академии наук СССР. После смерти академика Н. С. Курнакова исполнял обязанности директора Института общей и неорганической химии АН СССР (1941), основал Лабораторию химии силикатов, территориально расположенную в ГОИ (1938—1941).
С 1912 по 1932 год преподавал в Петербургском Электротехническом институте на кафедрах физической химии и теоретической электрохимии. С 1921 по 1930 год был заведующим кафедрой физической и теоретической химии.
Совместно с Н. Н. Качаловым положил начало развитию отечественного производства оптического стекла на Императорском Фарфоровом заводе (1915—1918).
Разработал отечественную технологию просветления оптики, технологию получения пористых стекол, создал химическую теорию полировки металлов. Изучал (с 1944) физико-химические свойства прозрачных полимеров.
Один из основоположников научно-педагогической школы университета "Оптическое материаловедение и оптические технологии".
Основные фундаментальные и технологические проблемы, над решением которых работал И. В. Гребенщиков с сотрудниками:
Российская академия наук с 1994 года присуждает премию имени И. В. Гребенщикова «за выдающиеся работы в области химии, физикохимии и технологии стекла».