Иван Алексеевич родился 10 января 1870 года в Вильно (Вильнюс) в семье священника Алексея Владимирова и англичанки Кэйт Владимирофф (Вагхорн). Отец одно время работал библиотекарем при Московском Английском клубе. Мать была акварелистом.

В 1891—1893 годах учился в Петербургской Академии художеств. Вступил добровольцем в 210-й Ижорский батальон русской армии. В 1894 году посещал Военную пехотную школу.

Проводил ежегодно лето на Кавказе в горных аулах, привозя оттуда материал для картин.

В доме № 51 по улице Пионерской на Петроградской стороне Иван Алексеевич Владимиров жил и работал с 1899 по 1947 год, о чем гласит мемориальная доска, установленная на доме.

Много лет Иван Владимиров работал художником-корреспондентом: его иллюстрации публиковали в российской и зарубежной прессе. Был художественным корреспондентом журнала «Нива», с документальной точностью изображая события Русско-японской, Первой мировой и Советско-финской войн, быт блокадного Ленинграда.

И.А. Владимиров писал: «Во всех моих художественных работах основная идея была выразить устремление наших бравых бойцов к отражению и уничтожению ненавистных, но сильных и злобных врагов Родины».

В 1917—1918 годы, работая в Петроградской милиции, рисовал портреты разыскиваемых преступников. Сделал большой цикл документальных зарисовок событий 1917—1918 годов («Арест царских генералов» (1918), «Петроград. Весна 1918» (1918) и др.).

Во время Советско-финской войны в силу возраста не мог поехать на фронт и по газетным сводкам создал картины «Сдача белофиннов», «Въезд советских войск в Выборг».

В годы Великой Отечественной войны находился в блокадном Ленинграде, готовил плакаты, выполнял эскизы и зарисовки, писал картины («Бой за Тихвин», 1943; «Бой на улицах Берлина», 1946), вёл дневник блокады.

Скончался 14 декабря 1947 года в Ленинграде на 78-м году жизни. Похоронен на Серафимовском кладбище в Санкт-Петербурге.