В 1906—1909 годах член партии эсеров, в 1907 году за распространение прокламаций исключён из гимназии. Высшее образование получил в университетах Гейдельберга и Лейпцига (1909—1914). Публиковаться в области психологии образования и мнемотехники начал будучи студентом. Во время Первой мировой войны был интернирован как гражданин враждебной державы. Вернулся в Россию в 1919 году и до 1922 года работал переводчиком и референтом в Наркоминделе, стал одним из организаторов еврейского литературного общества в Тифлисе.
Профессиональная научная деятельность началась в 1922 г. работой в психотехнической лаборатории Центрального института труда (ЦИТ) в Москве.
В 1923 году организовал психотехническую лабораторию при Наркомате труда и создал секцию психотехники в Институте психологии. В 1922—1923 годах читал курс еврейского языка (идишa) во Втором Московском государственном университете — первый курс грамматики идиша в стране; опубликовал первый советский учебник грамматики идиша. В 1927 году организовал и возглавил Всероссийское общество психотехники и прикладной психофизиологии (ВОПиПП), выступил организатором научной работы в области психологии труда в СССР.
Занимался проблемами психологии труда (рационализация труда, утомление, автоматизация трудовых действий, профессиональный отбор и консультация). Был активным деятелем движения научной организации труда (НОТ) в СССР, организатором и председателем Всесоюзного общества психотехники и прикладной психофизиологии, президентом Международной психотехнической ассоциации. Исследовал профессиональную лексику военнослужащих, вопросы социальной психологии (например, перемены фамилий взрослыми).
Сестра И. Н. Шпильрейна — Сабина Николаевна Шпильрейн (Шефтель, 1885—1942) — советский психоаналитик, ученица К. Юнга и З. Фрейда, доктор медицины.
Братья И. Н. Шпильрейна:
Племянник И. Н. Шпильрейна — Эвальд Эмильевич Шпильрайн (род. 1926) — советский инженер, специалист в области теплофизики и энергетики, член-корреспондент РАН (1997).