Игорь Грабарь родился в Будапеште в семье русского общественного деятеля Эммануила Грабаря. Вскоре после рождения сына, отец с семьей был вынужден бежать из Венгрии в Италию, а в 1876 году его родители, бывшие в числе сторонников славянского освободительного движения, переехали в Россию.
С 1882 по 1989 год Грабарь обучался в московском лицее, а с 1889 по 1895 – в Санкт-Петербургском университете сразу на двух факультетах – юридическом и историко-филологическом. Однако в отличие от старшего брата Владимира, ставшего известным юристом, Игорь предпочел карьеру художника. Еще в Москве он посещал занятия по рисованию Московского общества любителей художеств и в 1894 году поступил в Академию художеств.
Летом 1895 года во время каникул, Грабарь путешествовал по Европе, изучая работы старых мастеров. Эта поездка настолько увлекла художника, что он решил остаться в Европе. Однако, вернувшись в Россию в 1901 году, Игорь Грабарь был вновь потрясен красотой русской природы.
В 1910-1923 годах он отошел от живописи и увлекся архитектурой, историей искусства, музейной деятельностью, охраной памятников. Он задумал и осуществил издание первой «Истории русского искусства» в шести томах, написал для нее важнейшие разделы, опубликовал монографии о Валентине Серове и Исааке Левитане. В 1937 году И.Грабарь создал двухтомную монографию «Репин». Эта работа принесла ему Сталинскую премию.
В период с 1913 по 1925 годы художник возглавлял Третьяковскую галерею, где провел масштабную перепланировку экспозиции музея, а также составил первый научный каталог галереи: под его руководством проверили и заново описали более четырех тысяч экспонатов.
Игорь Эммануилович является одним из основателей музееведения, реставрационного дела и охраны памятников искусства и старины. В 1918 году художник создал Центральную реставрационную мастерскую, благодаря чему удалось спасти многие произведения древнерусского искусства.
В Воронежском художественном музее им. И.Н. Крамского представлена работа художника «Зимний день» (1939). Игорь Грабарь поистине может считаться певцом русской зимы. В его работах с большой любовью и мастерством передана сияющая белизна снега, особый прозрачный, кристально чистый воздух. Сугробы переливаются на солнце всеми цветами радуги, Валентин Серов отметил мастерство Грабаря словами: «Трудная задача, а вышла у вас, — сказал он ему, — Зима — действительно белая, а белил не чувствуешь».
Умер Игорь Грабарь 16 мая 1960 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.