Получил прекрасное образование в  Благородном пансионе Московского университета. Проявлял склонность к изучению языков, в том числе и древних. с 1823 года, после смерти отца, проживал в Москве, у своего дяди И. А. Мальцова.

По завершении образования поступил на службу в Московский архив Коллегии иностранных дел. Его сослуживцами и друзьями были библиофил С. А. Соболевский (один из ближайших друзей А. С. Пушкина), поэты, литераторы, публицисты: братьяВеневитиновы и Киреевские, А. С. Хомяков, С. П. Шевырев,А. И. Кошелев, М. П. Погодин, князь В. Ф. Одоевский, М. А. Максимович и многие другие

Когда в 1826 году М. П. Погодин с Веневитиновым задумали издать литературный сборник «Гермес», в число «необходимых авторов» они включили и Ивана Мальцова, поручив ему переводы из Ансильона и Шиллера. Потом на основе готовившегося сборника возникнет журнал «Московский вестник», который благословил Пушкин, а среди его главных сотрудников будут значиться, наряду с Шевыревым и Веневитиновым, Соболевский и Мальцов. Наиболее важной была публикация Мальцовым в 1827 году отрывков из его переводов повествования Вальтера Скотта «Жизнь Наполеона». Книга имела громадный успех в Европе, но в России находилась под строгим запретом.

12 марта 1827 года Ивана Мальцова переводят в Петербург, к «делам Коллегии иностранных дел». В Петербурге он поселился в доме родного дяди по материнской линии, обер-прокурора Святейшего Синода П. С. Мещерского. Мещерский был женат на сестре генерала А. И. Чернышёва, всесильного любимца царя, управляющего Военным министерством. Тот также принял участие в делах молодого родственника.

В апреле 1828 года И. С. Мальцов по рекомендации Соболевского назначен первым секретарем посольства в Персию, возглавляемого А. С. Грибоедовым, которому было известно, что молодой дипломат был не чужд литературных интересов. Назначение сулило начало быстрого восхождения по служебной лестнице. Перед этим И. С. Мальцов передал своему дяде Ивану Акимовичу все полномочия по управлению Гусевской и другими фабриками.

В 1829 году, во время разгрома русской миссии и убийства А. С. Грибоедова, И. С. Мальцов оказался единственным сотрудником посольства, которому удалось спастись.

Министр иностранных дел, впоследствии государственный канцлер, К. В. Нессельроде ценил Мальцова. В письме к наместнику на Кавказе князю И. Ф. Паскевичу он писал о нем: «Это молодой человек, который может весьма выделиться, когда с опытом и возрастом несколько созреют его мысли и улягутся его страсти

В 1831 году по возвращению из-за границы И. С. Мальцов едет в Гусь и начинает заниматься заводскими делами. Производство стекла было поставлено на рельсы самой современной технологии. Стали выпускаться изделия из трехслойного стекла под золото и серебро, хрустальные изделия с алмазной гранью. Самой прибыльной продукцией стало стекло оконное. Начал он и строительство для работников каменных домиков усадебного типа, которых было построено 425 домов.

В 1833 году образованное с участием И. С. Мальцева и его дяди Ивана Акимовича «Закавказское общество» занималось изысканием «возможности и пользы приготовления стекла», материалов для стеклоделия в Закавказье". Общество поставляло в Персию, Среднею Азию и Закавказье стеклянные изделия: оплетенные серебряной вязью стеклянные мальцевские кальяны и многое другое.

В июне 1834 года Мальцев пожалован в звание камергера, а в мае 1835 года назначен членом Общего присутствия Азиатского департамента, а затем членом совета Министерства иностранных дел и пожалован в звание действительного тайного советника^[1].

Летом 1835 года И. С. Мальцев состоял при вице-канцлере К. В. Нессельроде во время пребывания Николая I за границей. 13 августа он писал из Баден-Бадена Сергею Соболевскому о путешествии по Германии и Богемии и посещении богемских хрустальных фабрик. Мальцев ознакомился с достижениями чешских мастеров стекла, после чего на Гусевском заводе удалось изготовить гранатное малиновое стекло, секрет которого был потерян. Это открытие дало заводу новый толчок к развитию производства цветного стекла.

В 1836 году Мальцов получает разрешение об устройстве в Петербурге бумагопрядильной фабрики, и в 1838 году на берегу Невы была построена Сампсониевская бумагопрядильная фабрика. В число ее акционеров, кроме самого Мальцева и Соболевского, входили: родственник его, бывший декабристП. А. Колошин, поэт В. А. Жуковский и его родственники по линии жены. Мальцев уделял немало времени делам этой фабрики. Сохранилась его обширная переписка с Соболевским, в которой много места уделяется переговорам друзей о совместном предприятии^[2].

В 1855—1864 гг. И. С. Мальцов трижды назначался «временно управляющим» Министерством иностранных дел. В 1856 году вошел в состав Тарифного комитета, возглавлявшегося Л. В. Тенгоборским. При Александре II его прочили на пост товарища министра просвещения и в министры финансов.

Иван Сергеевич, будучи за границей, интересовался техническими новшествами, которые затем с успехом применял на своих предприятиях. Он значительно увеличил полученное в наследство состояние. Владея 6 стекольными и 1 хрустальным заводами, бумагопрядильной фабрикой, каменным домом в Москве, он увеличил земельные владения, завел еще 3 стекольных предприятия, купил каменный дом в Петербурге и 2 деревянных в Москве.

В одном Касимовском уезде ему принадлежало более 37 тыс. десятин земли, где в 11 селениях насчитывалось 524 двора и 2180 душ мужского пола. На его семи стеклянных предприятиях работало 654 мастеровых, живших при фабриках. В 40-е годы на каждой из крупнейших мальцевских фабрик производилось хрустальных изделий на сумму до 150 тыс. рублей серебром. Мальцеву впервые удалось «производство рубинового стекла, выкрашенного медью, равным образом и уранового стекла, зеленовато-желтого», пользующегося особым спросом. С его именем связано и формирование заводской коллекции гусевского художественного стекла. Именно он положил начало сбору при фабрике уникальных изделий из стекла и образцов массового производства.

В 1860-х годах Мальцев быстро справился с кризисом, возникшим вследствие отмены крепостного права, перестроив управление своими предприятиями на капиталистический лад. После реформы мальцевское производство двинулось еще быстрее. В 1876 году в селе Никулине на базе закрытого стеклянного завода начинает действовать кирпично-черепичное производство.

В 1875 году созданная на деньги Мальцова Гусевская начальная школа для мастеровых была преобразована в двухклассное министерское училище с несколькими параллельными классами: мужскими и женскими. В 1876 году им же было открыто двухклассное училище на Великодворском (Дирдурском) заводе. Несмотря на присущую И. С. Мальцову скупость, образование и просвещенный практический взгляд на жизнь побудили его сделать щедрый дар: он завещал 500 тыс. рублей на учреждение технической школы во Владимире для бесплатного обучения ремеслам, а также общеобразовательным и техническим наукам.

К началу 1880 года из его стеклянных и хрустальных заводов два крупнейших (Гусевский — 517 рабочих и Уршельский — 375 рабочих) были оснащены паровыми машинами. Годовой оборот Гусевского завода составлял 900 тыс. рублей.

Перед смертью все свои миллионные капиталы и имения бездетный Иван Сергеевич завещал одному из своих племянников — Юрию Степановичу Нечаеву - Мальцову.

В 1880 году Иван Сергеевич умер в Ницце. Похоронен в Новодевичьем монастыре. Могила не сохранилась.