Из дворянской семьи. Окончил 3-ю московскую военную гимназию (1884). Учился в Александровском военном училище в Москве, Михайловское артиллерийское училище (окончил в 1887). Окончил Михайловскую артиллерийскую академию по первому разряду (1892), оставлен репетитором и помощником зав. химической лабораторией. Параллельно участвовал в работах химической лаборатории профессора А.Е. Фаворского в Петербургском университете. В 1895 защитил диссертацию «О действии брома на третичные спирты и бромистого водорода на ацетиленовые и алленовые углеводороды», удостоенную премии им. А.М. Бутлерова. Преподаватель химии в Михайловской артиллерийской академии. Защитил еще две диссертации: «Алленовые углеводороды, реакция хлористого нитрозола, нитрозаты и действие натрий-малонового эфира на дибромиды» и «Взрывчатые свойства тринитрокрезола и тринитронафталина». С 1899 экстраординарный, с 1902 ординарный профессор химии Михайловской артиллерийской академии; с 1909 зав. химической лабораторией; генерал-майор (1911), заслуженный профессор (1914). Занимался изучение явлений катализа при высоких температурах и давлениях. Сконструированный в 1904 прибор — «бомба Ипатьева» стал прообразом применяемых ныне в химической практике реакторов и автоклавов нового типа. В 1906 удостоен Императорской Академии наук премии им. С.А.Иванова. Член-корреспондент по разряду физическому по Отделению физико-математических наук с 29 ноября 1914; ординарный академик по тому же отделению (химия) с 9 января 1916. Соредактор «Дневника II Менделеевского съезда по общей и прикладной химии и физике» (СПб., 1911) и редактор «Протоколов заседаний отделения химии Русского физико-химического общества при СПб. университете» (1909—14). Выдающийся организатор химической промышленности, возглавлял производство взрывчатых веществ. В 1915 организовал и возглавил Химический комитет при Главном артиллерийском управлении, руководил строительством новых предприятий химической промышленности. В 1918 председатель Комиссии по демобилизации химической промышленности при Высшем совете народного хозяйства (ВСНХ). С 1921 начальник Главного управления химической промышленности ВСНХ, член Президиума ВСНХ. Эксперт по научно-техническим вопросам на Генуэзской конференции (1922). В 1923—26 председатель Химического комитета при Реввоенсовете, осуществляя руководство военно-химическими работами. В 1927 лауреат премии им. В.И. Ленина. В 1927 организовал и возглавил Лабораторию высоких давлений в Ленинграде (с 1929 институт). В июне 1930 выехал в Берлин (Германия) для участия во 2-м Международном энергетическом конгрессе. Июль и август 1930 провел во Франции и в Англии, в сентябре прибыл в США (Нью-Йорк, Чикаго). Читал в Северо-западном университете (Эванстон) небольшой курс лекций по катализу. Одновременно по контракту с американской фирмой «Юниверсал Ойл Продактс» создавал лабораторию в Чикаго. Вплоть до 1936 регулярно посылал в АН СССР отчеты о работах, проведенных за рубежом. В середине 30-ых получал неоднократные приглашения-ультиматумы срочно вернуться на родину. После отказа подчиниться этим требованиям 29 декабря 1936  исключен из числа действительных членов АН СССР, 5 января 1937 решением ЦИК СССР лишен советского гражданства с пожизненным запретом на въезд в СССР. Профессор, директор лаборатории катализа и высоких давлений Северо-западного университета (ныне лаборатория им. Ипатьева). В 1937 назван в США «Человеком года». Член Национальной АН США (1939). Удостоен высшей награды Французского химического общества — медали им. А.Лавуазье (1939). Почетный доктор Мюнхенского, Страсбургского, Софийского университетов. Многократно номинировался на Нобелевскую премию. 29 декабря 1990 восстановлен в списках действительных членов АН СССР.

Похоронен в Чикаго.

Отец: Николай Алексеевич (1839—1890), архитектор. Мать: Анна Дмитриевна (ур. Глики; ум. 1877. Брат: Николай Николаевич (ум. 1938), инженер (в его доме в Екатеринбурге в 1918 расстреляна семья Николая II). Жена: Варвара Федоровна (ур. Ермакова; ум. 1952). Сыновья: Дмитрий (ум. 1916), офицер, погиб на фронте; Николай (1896—1935), погиб в Бельгийском Конго, испытывая разработанные им средства против тропических заболеваний; Владимир (ум. 1955), химик. Дочь: Анна (ум. 1958) в Ленинграде.

Использована фотография с сайта http://www.mankurty.com/blog/?p=4064