Исаак Халатников родился 17 октября 1919 г. в Екатеринославе (ныне – Днепр) в семье, состоящей из Марка Исааковича и Тубы Давыдовны Халатниковых, а также сестры Ребекки.
​
Был трудолюбивым школьником, побеждал на различных математических олимпиадах, увлекался игрой в шашки.

21 июня 1941 г. студент Халатников сдавал последний экзамен в Днепропетровском университете, а в кармане находилось письмо-рекомендация в аспирантуру от самого Льва Ландау. Но вместо занятий теоретической физикой Халатников стал зенитчиком и охранял небо Москвы. Он командовал одной из батарей во время первого салюта, который состоялся после взятия Орла и Белгорода.

В 1945 г. во время празднования 220-летия Академии наук академик П. Л. Капица сидел в президиуме рядом с маршалом Вороновым. Разговорились об атомной бомбе. Пётр Леонидович, который собирал в своём институте талантливых молодых физиков-теоретиков, сказал маршалу, что в его войсках служит очень перспективный учёный по фамилии Халатников.

«Теперь, после атомной бомбы, – сказал он, – артиллерия не будет «богом войны», а потому физики стране нужнее, чем артиллеристы».
«Вы за него просите?» – уточнил маршал.
«Да!» – ответил Капица.

В то время он состоял в Спецкомитете, возглавляемом Л. П. Берией, а потому его просьба равнялась приказу. Уже в сентябре капитан Халатников был зачислен в институт и стал аспирантом у Ландау.

В 1944 году был зачислен в аспирантуру Института физических проблем АН СССР, в этом же институте проработал с 1945 по 1965 год. Свою научную карьеру начал в 1946 году с должности младшего научного сотрудника. В конце 1940-х — начале 1950-х годов работал в составе группы теоретиков, выполнявших расчёты ядерного и термоядерного оружия, за что был награждён Сталинской премией (1953).
​
В декабре 1946 г. в СССР был запущен первый атомный реактор. В теоротделе Ландау было всего два сотрудника – Лифшиц и Халатников. И 30 девушек – вычислительное бюро. Расчёты процессов, происходящих в атомной бомбе в течение миллионных долей секунды, были огромными. Казалось, осуществить их невозможно!

«Я занимался всем этим с большим интересом, – вспоминал Халатников. – Моей задачей было служить координатором между Ландау и математиками. Математики получали от меня уравнения в таком виде, что о конструкции бомбы догадаться было невозможно. Такой был порядок. Но математикам и не требовалось это знать. Известно, что среди главных характеристик атомной бомбы – критическая масса, материал и форма «взрывчатки». В общем виде такую задачу никто и никогда до нас не решал. А мне удалось получить необычайной красоты интерполяционную формулу. Помню, Ландау был в таком восторге от этого результата, что подарил мне фотографию с надписью: «Дорогому Халату…», она у меня хранится до сих пор»

После атомной бомбы пришёл черед водородной. И здесь уже пришлось работать в основном с А. Д. Сахаровым. Халатников вспоминал, что всё началось с простого листка бумаги, на котором Андрей Дмитриевич написал исходные данные по бомбе. Написаны они были зеленовато-синими чернилами. Это был самый секретный листок бумаги из многих тысяч, что тогда использовались в «Атомном проекте».

До конца своей жизни академик Халатников считал, что это была самая сложная задача в науке, которую им удалось решить. Ведь не было ни вычислительных машин, ни тем более компьютеров – всё делалось вручную. Расчёт водородной бомбы академик называл чудом.

«Расчёты водородной бомбы к началу 1953 г. были закончены, – вспоминал Исаак Халатников. – В том же году провели испытания. Совпадение с расчётами оказалось замечательным. Все участники получили награды. К тому времени Сталин уже умер, но мы всё равно получили Сталинские премии. Кто удостоился Героя, кто – ордена, и это были самые последние Сталинские премии в СССР. Я получил первую Сталинскую стипендию и последнюю Сталинскую премию».

Из книги
"Дау, Кентавр и другие"

Ландау лично вел учет сдающих экзамены теорминимума. Отмечалась только дата сдачи того или иного экзамена, отметки не выставлялись. В особых случаях ставились восклицательные либо вопросительные знаки. Если у сдающего набиралось три вопросительных знака, то он считался непригодным для занятий теоретической физикой. Наступал самый неприятный момент — надлежало объявить ему об этом. Экзамены принимали ближайшие сотрудники Ландау, за исключением самого первого экзамена по математике, когда Ландау лично знакомился со сдающим. Наиболее неприятную функцию объявления сдающему экзамены о его непригодности к занятиям теоретической физикой Дау всегда брал на себя.

Можно себе представить, что значило для начинающего физика-теоретика услышать от Ландау, что он не рекомендует ему заниматься теоретической физикой. Как-то я сказал Ландау, что он жестокий человек, поскольку считал, что для доброго человека такая обязанность была бы не по силам. Ландау возмутился, выбежал от меня и долго в коридоре ИФП всем встречным говорил: «Вы подумайте, Халат говорит, что я жестокий человек!»

C 26 февраля 1965 года по 1992 год Халатников — директор Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау АН СССР (ныне в составе РАН). Затем — почётный директор Института.

Доктор физико-математических наук (1952), академик АН СССР (1984, член-корреспондент с 1972), иностранный член Лондонского королевского общества (1994).

Профессор МФТИ, являлся членом редколлегии журнала «Физика низких температур».

Предложенное им решение сложнейшей проблемы позволило существенно сократить сроки создания атомной бомбы. Совместно с Л. Ландау создал теорию квантовых жидкостей. Автор работ по космологии, теории сверхтекучести, трудов по теории квантовых жидкостей, сверхпроводимости, квантовой электродинамике, квантовой теории поля, релятивистской гидродинамике, квантовой механике, общей теории относительности, релятивистской астрофизике и космологии.
​
После смерти Ландау, несмотря на загруженность административными делами директора института, работал в области общей теории относительности и космологии, где получила известность т. н. сингулярность Белинского — Халатникова — Лифшица.

В связи со 100-летием со дня рождения Халатникова средней школе № 75 в Черноголовке присвоено его имя.

С 19 августа 2020 года был старейшим академиком РАН.

Скончался 9 января 2021 года в Черноголовке, на 102 году жизни.