Иван Дмитриевич Василенко родился 8 (20) января 1895 года в селе (ныне город Макеевка Донецкой области Украины) в семье волостного писаря. Через 7 лет семья Василенко переехала в Таганрог.
В 1912 году Иван Василенко окончил четырёхклассное городское училище и стал учителем в сельской школе. Он поступил в Белгородский учительский институт, но вскоре был исключён за организацию марксистского кружка. Вследствие этого дальнейший путь Василенко к преподавательской деятельности был закрыт, и он работал счетоводом в Таганрогском земельном банке. До 1917 года участвовал в революционном движении. В 1917—1922 годах на профсоюзной, а в 1922—1934 годах — на педагогической работе. Он стал писателем в 39 лет, когда тяжёлая болезнь (обострившися туберкулёз на три года приковал к постели) окончательно свалила его с ног.
В первые месяцы войны ушёл на фронт единственный сын писателя, Фёдор. Он учился в Качинском авиационном училище, был лётчиком-истребителем и героически погиб в воздушном бою под Конотопом. Сам Василенко в октябре 1941 года эвакуировался из Таганрога в Нальчик, который покинул буквально перед оккупацией. После освобождения Таганрога вернулся туда.
Иван Василенко был, по словам Леонида Шемшелевича, человеком чеховского характера, чутким, добрым, скромным до застенчивости.
Иван Василенко вступил в СП СССР в 1944 году. И. Д. Василенко участвовал в ростовских альманахах и в целом ряде журналов — «Пионер», «Молодая гвардия» и др. Писатель-педагог пишет о детях и для детей. Имя его пользуется заслуженной популярностью среди юных читателей. В годы Великой Отечественной войны писатель работал в армейской печати. Одновременно им было написано несколько повестей и рассказов для детей («План жизни», «Приказ командира», «Живая вода», «Повесть о зелёном сундучке» и др.)
И. Д. Василенко умер 26 мая 1966 года в Таганроге. Похоронен на старом городском кладбище.
Литературную деятельность начал с 1937 года. Писателя И. Василенко «открыл» русский литератор В. В. Вересаев. В 1944 году в «Литературной газете» он писал: «Передо мной… талантливый, совершенно сложившийся писатель, со своим языком, с великолепной выдумкой, с живыми образами».
За 30 лет творческой жизни книги Василенко выдержали 130 изданий на 27 языках народов СССР. Многие произведения писателя переведены на чешский, немецкий, польский, болгарский, румынский, французский, английский языки.
По произведениям «Звёздочка», «Артёмка в цирке», «Волшебная шкатулка» созданы фильмы.