Родился в Москве 28 марта 1554 г.; потеряв мать, переселен с братом из «Верха» царских хором на «особный» двор в 1560 г.; встречал на подъездном стане в волоколамском Иосифове монастыре отца своего, победоносно возвращавшегося из Ливонии, в 1563 г.; жил с отцом и опричниками в Александровой слободе (ныне Александров) в 1565 г.; сопровождал отца в походе с теми же опричниками от Москвы до Ршанского яма (близ Новгорода) в 1567 г.
Был сватаем отцом к Виргинии, дочери Эрика XIV, короля шведского, немедленно свергнутого с престола, чем и закончилось сватовство в 1568 г.; в 1569 г.; видел отцов «погром» Новгорода и присутствовал при казнях на московской Красной площади в 1570 г.; получил в Александровой слободе невесту, избранную ему отцом, и женился на ней в Москве 4 ноября 1571 г.; не допущен отцом к избирательной кандидатуре на престол польский ни в 1572, ни в 1573 гг.; постриг первую жену свою и взял другую в 1575 г.; участвовал в приемной аудиенции, торжественно данной отцом его Иоанну Кобенцелю, послу императора Максимилиана II, 24 января 1576 г.
Сопровождал отца в удачном для последнего Ливонском походе 1577 г.; сочинил службу преподобному Антонию Сийскому в 1578 г.; находился при отце в Новгороде и Пскове в 1579 г.; сочинил Похвальное слово Антонию Сийскому в 1580 г. Умер в Александровой слободе 19 ноября 1581 г. Тело его, принесенное из слободы в Москву, погребено в московском Архангельском соборе.
О смерти царевича Ивана Ивановича сообщается в русских летописях. Московский летописец сообщает: «Преставися Царевич Иван Иванович». В Новгородской IV летописи указано: «Того же …году преставися Царевич Иван Иванович на утрени в слободе…». В Морозовской летописи написано: «Не стало Царевича Ивана Ивановича». Пискаревский летописец сообщает: «В 12 час нощи лета 7090 ноября в 17 день: преставление Царевича Ивана Ивановича».
По наиболее популярной версии, царевич был смертельно ранен отцом во время ссоры в Александровской слободе в ноябре 1581 года (согласно распространённой точке зрения, ссора произошла 14 ноября, а царевич умер 19 ноября, но ряд источников дают другие даты).
В Мазуринском летописце сообщается: «Лета 7089 государь царь и великий князь Иван Васильевич сына своего большаго, царевича князя Ивана Ивановича, мудрым смыслом и благодатью сияющаго, аки несозрелый грезн дебелым воздухом оттресе и от ветви жития отторгну осном своим, о нем же глаголаху, яко от отца ему болезнь, и от болезни же и смерть».
Временник дьяка Ивана Тимофеева содержит следующие сведения о смерти царевича: «так как некоторые говорят, что жизнь его угасла от удара руки отца за то, что он хотел удержать отца от некоторого неблаговидного поступка».
Француз на русской службе Жак Маржерет писал: «Ходит слух, что старшего (сына) он (царь) убил своей собственной рукой, что произошло иначе, так как, хотя он и ударил его концом жезла… и он был ранен ударом, но умер он не от этого, а некоторое время спустя, в путешествии на богомолье».
Версию о смерти в результате удара жезлом отца приняли в свое время Щербатов, Николай Карамзин и другие известные русские историки.
История о том, что царевич был убит собственным отцом, подвергается постоянной критике.
В 1903 году академик Н. С. Лихачев сделал вывод, что Царевич Иоанн скончался в Александровской слободе после 11-дневной болезни, казавшейся поначалу не опасной.
Современный православный публицист С. В. Фомин версии иностранцев об убийстве царевича называет сплошной мюнхгаузеаной: «одно предположение (о якобы имевшей место перед кончиной ссоры и времени протекания предсмертной болезни) сменяется другим, противореча одно другому.
Царевич Иван был женат три раза: 1) на Евдокии Богдановне Сабуровой (в иночестве Александра), умершей в суздальском Покровском монастыре не раньше 1614г.; 2) на Пелагее Михайловне Соловово (в иночестве Параскева), умершей в московском Ивановском монастыре в 1620 г.; 3) на Елене Петровне Шереметевой (в иночестве Леонида), эпоху брака и пострижения которой определить не из чего, а время смерти в московском Новодевичьем монастыре должно отнести к периоду 1584-1588 гг. Детей у царевича Ивана не было.