Родился в 1902 году в Москве, где прожил первые 15 лет. Обучался в московской гимназии, но окончил гимназический курс в Суздале, куда вместе с отцом переехал в 1917 году. В 1919-м ушёл добровольцем в Красную армию и вступил в РКП (б). В годы Гражданской войны воевал на Кавказе, числясь в политотделе 8-й армии. Тогда же опубликовал первые стихи в газете «Красный путь». В Грозном Иван Иванович познакомился с некоторыми поэтами Пролеткульта и некоторое время был членом Союза пролетарских писателей.

В 1921 году после демобилизации поступил на экономический факультет Московского университета. В 1923 году вступил в Российскую ассоциацию пролетарских писателей (РАПП). С 1925 года активно сотрудничал с журналом «Город и деревня». С 1926 по 1932-й был одним из руководителей литературных объединений «Перевал» и «Кузница». Сотрудничал с изданиями «Красный труд», «Красная новь», «Наши достижения», «Колхозник». Активно ездил в творческие командировки на Северный Кавказ, Алтай, Урал, Кольский полуостров, Кубань.

Первый рассказ написал в 1927 году. В 1928-м вышла повесть «Сердце», высоко оценённая А. В. Луначарским. В 1930 году подвергся резкой критике за повесть «Молоко», в которой якобы проявилась «приверженность к кулацкой идеологии и абстрактному гуманизму». Принимал участие в создании «Литературной газеты» и стал её ответственным секретарём. В 1934 году избран в правление Союза писателей СССР. Последнее прижизненное издание — книга «Отечество» 1936 года.

Был репрессирован в 1937 году вместе с Б. Пильняком, Н. Зарудиным и А. Весёлым. Расстрелян в мае 1939 года. Реабилитирован в 1956-м. После реабилитации произведения И. И. Катаева неоднократно переиздавались.