Иван Дмитриевич Папанин родился в Севастополе, отец был матросом Военно-Морского флота.
Проучившись 4 года в начальной школе Папанин в 1908 году пошёл работать на завод. В 1914 году был призван на военную службу (попал на флот).
В 1918—1920 годах участвовал в Гражданской войне на Украине и в Крыму (организация диверсий и повстанческих отрядов). С 1920 года — комиссар оперативного управления при командующем морскими силами Юго-Западного фронта.
С ноября 1920 года по рекомендации Р. Землячки назначен комендантом Крымской ЧК, работал также следователем. В 1921 году переведён в Харьков военным комендантом Украинского ЦИК, затем с июля 1921 по март 1922 года работал секретарём Реввоенсовета Черноморского флота.
В 1922 переведён в Москву комиссаром хозяйственного управления Народного комиссариата морских дел, в 1923 — в Народный комиссариат почт и телеграфов управляющим делами и начальником Центрального управления военизированной охраны. В 1923—1925 проходил обучение на Высших курсах связи, после которых был направлен в Якутию в качестве заместителя начальника экспедиции по строительству радиостанции.
В 1932—1933 был начальником полярной станции Бухта Тихая (Земля Франца-Иосифа), а в 1934—1935 — станции на Мысе Челюскин, в 1937—1938 — возглавлял первую в мире дрейфующую станцию «Северный полюс».
В 1939—1946 годах работал начальником Главсевморпути, с 15 октября 1941 г. также Уполномоченный Государственного Комитета Обороны по перевозкам на Белом море. С 1946 по 1949 г. — на пенсии по болезни.
С 1949 до 1951 был заместителем директора Института океанологии АН СССР по экспедициям, с 1951 года и до конца жизни возглавлял Отдел морских экспедиционных работ в Президиуме АН СССР, с 1956 года — одновременно директор Института биологии внутренних вод АН СССР в посёлке Борок. Председатель Московского филиала Географического общества СССР.
Депутат Верховного Совета СССР 1-го и 2-го созывов.
И. Д. Папанин умер 30 января 1986 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.
Иван Дмитриевич жил в этом доме с 1938 по 1986 годs. Москва, Арбат 45.
Памятник И. Д. Папанину на улице его имени в Мурманске.
Бюст И. Д. Папанина в Государственном Северном морском музее в Архангельске.
Иван Дмитриевич Папанин — автор научно-популярных книг:
В честь 90 летия И.Д. Папанина, российский полярник, друг Ивана Дмитриевич С.А.Соловьев, выпустил конверты с его изображением, в настоящее время их осталось немного, они хранятся в частных коллекциях филателистов.