Иван Папанин родился 14 (26) ноября 1894 года в Севастополе в семье моряка, работавшего в порту. Всё его детство и юность прошли рядом с морем. Окончил четыре класса начальной школы. В 1908 году поступил на работу на Севастопольский завод по изготовлению навигационных приборов. Иван Папанин очень хорошо зарекомендовал себя на производстве, и в 1912 году его перевели на судостроительный завод в Ревеле (Таллин).
В начале Первой мировой войны Папанина призвали на военную службу, и он вновь оказался в родном Крыму, на Черноморском флоте. 1918–1920 годы – активный участник Гражданской войны на Украине и в Крыму. С 1920 года – комиссар оперативного управления при командующем морскими силами и силами Юго-Западного фронта. С конца 1920 года – комендант Крымского ЧК. С июля 1921 по март 1922 года Папанин работал секретарем Реввоенсовета Черноморского флота.
В 1924 году он переехал в Москву, где занимался вопросами связи, и именно здесь он окончил Высшие курсы связи. После окончания учебы он уехал работать в Якутию.
С 1932 года Папанин был начальником полярной станции «Бухта Тихая» на Земле Франца-Иосифа, а с 1934 года – на станции на мысе Челюскин.
В 1937–1938 годах Иван Дмитриевич Папанин стал во главе первой в мире дрейфующей станции «Северный полюс». Данное событие возвело его в ранг одного из самых знаменитых людей в нашей стране и мире.
Эта экспедиция пополнила уникальными научными данными знания об Арктике и ее природе. Итоги работы станции и ее дрейфа были доложены Общему собранию Академии наук СССР 6 марта 1938 года. Оценка деятельности экспедиции была очень высокой. За героический труд в тяжелых условиях Арктики все участники полярного дрейфа были представлены к званию Героев Советского Союза. Научное сообщество также высоко оценило их заслуги. Папанин и радист Эрнст Кренкель получили степени докторов географических наук.
Председатель Президиума Верховного Совета СССР Калинин М.И. вручает награду Папанину И.Д.
В конце 1939 – начале 1940 года вся страна следила за спасением из ледового плена дрейфовавшего 812 дней ледокола «Георгий Седов». Иван Папанин возглавил спасательные работы, которые были успешно завершены. Иван Дмитриевич был второй раз представлен к званию Героя Советского Союза.
С 1939 по 1946 год Папанин возглавлял Главсевморпуть и по совместительству был назначен уполномоченным Государственного комитета обороны по перевозкам на Севере.
В годы войны он успешно осуществлял прием и переправку на фронт военных грузов, которые доставлялись в СССР из США и Великобритании. Вместе с этой работой он курировал и строительство портовых верфей в Архангельске, Мурманске и на Дальневосточном побережье. В 1943 году ему присвоили воинское звание контр-адмирала.
После победы над фашистской Германией Иван Дмитриевич стал отходить от практической работы и больше занимался наукой. Это было связано с ухудшением здоровья (Папанин страдал сердечным заболеванием). В 1949 году по состоянию здоровья он вышел на пенсию, но продолжал трудиться. Он стал заместителем директора Института океанологии Академии наук СССР по экспедициям. С 1951 года он возглавлял отдел морских экспедиционных работ в Президиуме АН СССР. Параллельно Папанин находился во главе Московского филиала Географического общества СССР.
Иван Дмитриевич Папанин ушел из жизни 30 января 1986 года. Причиной смерти стала хроническая сердечная недостаточность. Ему был 91 год. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
Славные страницы биографии Ивана Дмитриевича Папанина навсегда вошли в отечественную и мировую историю. Он является почетным гражданином Севастополя, Архангельска, Мурманска и Липецка. Республика Крым и Ярославская область также внесли его в списки своих почетных жителей. В честь Ивана Папанина назван мыс, расположенный на Таймыре, горы в Антарктиде, подводная гора в Тихом океане и остров в Азовском море.