Будущий писатель-aфантаст родился в деревне Вырица Царскосельского уезда Петербургской губернии. Поступил в Ленинградский государственный университет, но не окончил его. В 1935 окончил геологоразведочный факультет Ленинградского горного института. С 1929 научный сотрудник Геологического музея, в 1937-59 заведующий лабораторией низших позвоночных Палеонтологического института АН СССР и руководитель ряда экспедиций (в т.ч. в пустыню Гоби). Труд Ефремова «Тафономия» лег в основу нового направления в палеонтологии, которое позволило на основании палеогеологических данных предсказывать места обнаружения ископаемых остатков; за этот труд удостоен Государственной премии СССР 1959 года.
Первый рассказ «Встреча над Тускаророй» опубликовал в 1944 году. Первым крупным произведением Ефремова стал исторический роман «На краю Ойкумены» (1949), вскоре дополненный вторым томом - «Путешествие Баурджеда» (1953). Однако наибольшую известность и признание принесла ему «Туманность Андромеды» (1957) - философско-утопический роман о коммунистическом будущем цивилизации Земли. Роман этот оказал огромное влияние на развитие отечественной фантастики и, по сути, обеспечил её первый расцвет в 1960-х годах.
Ефремову принадлежат также художественно-документальная книга «Дорога ветров» (1956) и роман приключений «Лезвие бритвы» (1963). В 1969 г. опубликован его роман «Лезвие бритвы», а в 1968 году выходит «Час Быка», в котором коммунистический мир «Туманности Андромеды» сталкивается с антагонистичным ему антиутопическим миром планеты Торманс. Роман оказался совершенно не ко двору для тогдашнего руководства страны, однако запретить его при жизни Ефремова не решились, и только после смерти Ивана Антоновича в 1972 году он был запрещен к выдаче в библиотеках. По времени эта акция совпала с планомерным оттеснением из издательских планов практически всей социально направленной фантастики, выросшей на книгах Ефремова.