Исаак Халатников родом родился 17 октября 1919 в Екатеринославе в еврейской семье. Был трудолюбивым школьником, побеждал на различных математических олимпиадах, увлекался игрой в шашки.

В 1941 году окончил физический факультет Днепропетровского университета по специальности «Теоретическая физика». Еще будучи студентом университета, начал сдавать экзамены по теоретическому минимуму Льву Ландау, который пригласил его стать своим аспирантом.

В конце 1940-х — начале 1950-х годов работал в составе группы теоретиков, выполнявших расчёты ядерного и термоядерного оружия, он предложил решение сложнейшей проблемы устойчивости при расчете бомб, что позволило существенно сократить сроки создания зарядов.

В советское время с 1965 по 1992 гг. был директором Института теоретической физики им. Ландау, став впоследствии его почетным директором.

Совместно с физиком-теоретиком Львом Ландау создал теорию квантовых жидкостей и развил ее в применении к жидкому гелию (наиболее известна теория сверхтекучести Ландау — Халатникова).

Кроме того, Исаак Халатников — специалист в области физики низких температур, квантовой теории поля. Работал в области общей теории относительности и космологии.