Окончив в 1912 г. Московский университет, с 1913 г. по 1930 г. преподавал в этом университете (с 1929 г. – в звании профессора).
Летом 1920 г. работал на Баренцевом море начальником отряда Северной научно-промысловой экспедиции.
В 1921 г. организовал, по инициативе В.И. Ленина, Плавучий Морской научный институт (Плавморнин). В том же году отправился в экспедицию на пароходе ледокольного типа «Малыгин». Руководил, начиная с 1921 г., снаряжением специального экспедиционного судна Плавморнина деревянной парусно-паровой шхуны «Персей» и возглавлял научно-исследовательские работы на этом судне.
И.И. Месяцев организовал Государственный океанографический институт, который в 1933 г. был преобразован во Всесоюзный (ныне Всероссийский) институт рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), директором которого он состоял до своей смерти.
Именем Ивана Илларионовича Месяцева назван мыс на Земле Франца-Иосифа, подводная горная цепь (600 км) в Атлантике, гора на Земле Королевы Мод (Антарктида), а также Мурманский морской рыбопромышленный колледж.
Основные труды:
- Строение косяков стадных рыб, «Изв. АН СССР. Сер. биологическая», 1937, № 3.
- Об организации поисковых работ по треске в Дальневосточных морях, М., 1933 (совм. с Н.А. Масловым и А.Д. Старостиным).