Гильденштедт — автор первого описания и характеристики почв, растительности и животного мира южнорусских степей, первым объяснил происхождение чернозёма, впервые описал ряд до того неизвестных позвоночных (слепыш, новый вид суслика и др.).
Гильденштедт — один из первых европейцев, исследовавших быт и культуру осетин, ингушей и других северо-кавказских народов.
Президент Вольного экономического общества (с 1780 года).
Гильденштедт обладал выдающимися нравственными качествами; во время эпидемии 1781 года он с таким самоотвержением лечил больных, что истощённый непосильной работой организм его не перенёс болезни, которой он заразился.
Учился медицине во Франкфурте-на-Одере.
Докторскую степень получил в 1767 году в Берлине.
В 1768 году по приглашению Санкт-Петербургской академии наук приехал в Россию.
Участвовал в академических экспедициях 1768—1774 годов, возглавлял так называемую 2-ю Астраханскую экспедицию. Гильденштедту первоначально было поручено обследование Кавказа в пределах Астраханской губернии того времени. Однако Гильденштедт отправился обследовать Северный Кавказ и Грузию.
Время пребывания Гильденштедта на Кавказе совпало с русско-турецкой войной 1768—1774 годов, и это определило повышенное внимание исследователя к вопросам военно-стратегического характера.
Гильденштедт осуществлял свои экспедиционные исследования Кавказа по заданию российского правительства, чётко осознававшего собственные интересы и цели в регионе. Гильденштедт в полной мере и с большой тщательностью выполнил возложенную на него миссию. Однако, при сборе сведений он руководствовался не только предписаниями свыше, но и собственными представлениями о долге учёного перед наукой и обществом.
Как натуралист и доктор медицины, Гильденштедт обстоятельно исследовал нефтяные месторождения и минеральные источники в Центральном Предкавказье и на последних провёл ряд медицинских экспериментов; им составлены подробные описания флоры и фауны всех мест, по которым проходил маршрут экспедиции.
Осознание же миссии учёного, едва ли не первым оказавшегося среди малоизвестных науке того времени народов, предопределило, в частности, сбор Гильденштедтом лингвистических данных, составление словарей полутора десятков языков коренных народов региона (впрочем, сбор лингвистических материалов предписывали и инструкции Академии).
Гильденштедт не посещал Дагестана и только побывал на одном из участков его западных границ в Кахетии. Однако и в этой ситуации он нашёл возможность собрать ценные и достоверные сведения по географии, политическому устройству, лингвистике значительной части горного края.
Путешествие Гильденштедта на Кавказ началось в июне 1768 года. В отряд входило четверо студентов — Алексей Беляев, Борис Зряковский, Адриан Соколов, Степан Крашенинников (присоединился к отряду позднее после кратковременной поездки с С. Г. Гмелиным), а также рисовальщик Григорий Белый и «чучельник» Семен Тарбеев.
Выехав из Петербурга и проехав Новгород, Москву, Воронеж и Царицын, отряд в декабре 1769 года достиг Астрахани. Оттуда Гильденштедт отправился в Кизляр, ставший до осени 1771 года базовым лагерем для обследования близлежащих территорий Северного Кавказа. За это время экспедиция посетила районы, заселённые терскими казаками, кумыками, чеченцами, ингушами, побывала в Малой Кабарде и Осетии.
В сентябре 1771 года Гильденштедт прибыл в Грузию. Там он пробыл целый год. Вместе с царем Картли и Кахетии Ираклием II Гильденштедт объехал Кахетию, вместе с князем Давидом Эристави посетил южные районы страны, в сопровождении проводников перебрался в Западную Грузию, где встречался с царем Имеретии Соломоном I, познакомился с подвластными последнему землями, а также с Рачею и другими провинциями этой части Грузии.
Материалы по Грузии — о её природных богатствах и истории, о культуре народа и многом другом — занимают в общем объёме изысканий Гильденштедта по Кавказу особое место как по объёму, так и по разноплановости собранных данных. Отчасти это объясняется задачами, поставленными руководством Академии наук перед исследователем. Но в неменьшей степени позицию учёного определили его личные симпатии к стране и её народу.
Гильденштедт восклицал:
Хорошо сложились отношения у Гильденштедта и с Ираклием II. Царь, обращавший особое внимание на рудники, старался привлечь Гильденштедта к себе на службу, предполагая использовать его как специалиста при разработке рудников, но Гильденштедт предложение отклонил.
Осенью 1772 года группа двинулась в обратный путь. Известие о готовящемся на неё нападении с целью ограбления вынудило Гильденштедта задержаться на грузинской границе в селении Степанцминда. Проведённый там месяц Гильденштедт посвятил составлению полного описания географического и политического положения Грузии.
Достигнув Северного Кавказа, Гильденштедт провёл несколько месяцев в Кизляре, где продолжил составление сводных описаний Кавказа.
Оставив Кизляр, он вновь обследовал территории между Тереком и Сунжей, совершил объезд Большой Кабарды, проехал Пятигорье и земли вдоль Кумы и в июле 1773 года прибыл в Черкасск. Из устья Дона Гильденштедт намеревался проехать в Крым, но условия военного времени помешали осуществлению этого плана. От устья Дона отряд двинулся на Кременчуг и оттуда через Полтаву, Киев, Орёл и Тулу достиг Москвы во второй половине декабря 1774 года.
В Санкт-Петербург возвратился 2 марта 1775 года.
Гильденштедт исследовал:
В 1776 году в речи в 50-летний юбилей Академии наук, произнесённой на французском языке и позже, в 1780 году, переведённой по-русски в «Академических известиях» Гильденштедт говорил:
В этой своей речи Гильденштедт давал «показание таковых наблюдений физических и экономических, могущих быть непосредственно Отечеству полезными и учененных сотоварищами моими и мною». Исследователи находят в ней, несомненно, любопытные и яркие предвидения будущего. Впервые в ней указано было на значение донецкого каменного угля, только что открытого, на каспийскую сельдь, на бахмутскую соль. На каждом шагу мы видим здесь указания на находки и наведения, сделанные во время академических путешествий или мыслью академиков, которые сейчас вошли в жизнь, как на могучие силы нашей страны, источник происхождения которых давно забыт далекими потомками.
Этнограф рубежа XIX—XX веков Б. Далгат назвал труды Гильденштедта «целой эпохой» в изучении Кавказа.
Другой кавказовед, М. А. Полиевктов, отмечая заслуги Гильденштедта, писал, что столь капитальная работа не имела аналогов ни в русской, ни в западноевропейской науке XVIII века и по своим достоинствам превосходила появившиеся позднее описания Кавказа.
Труды Гильденштедта ценны огромным количеством фактического материала по истории, этнографии, лингвистике и многим другим научным дисциплинам.
Материалы Гильденштедта часто являются единственным источником XVIII века, позволяющим фиксировать расселение тех или иных групп населения, топонимику Кабарды, Осетии, Ингушетии, Чечни, Грузии, Дагестана.
К материалам И. А. Гильденштедта постоянно обращаются лингвисты. Составленные им словари полутора десятков языков и диалектов народов Кавказа служат ценной источниковой базой соответствующих исследований.
Предложенная Гильденштедтом классификация дагестанских языков лишь некоторыми неточностями отличается от ныне принятой в науке.
С 1769 гола Гильденштедт — адъюнкт по натуральной истории, в 1771 году — профессор, в 1774 год — академик.
Не успев издать описания своих путешествий, Гильденштедт умер от тифа, заразившись при лечении обитателей своего дома в Санкт-Петербурге. Ему не было ещё и 36 лет.
Сочинения Гильденштедта обнаруживают глубокие, основательные познания и живой интерес к предметам изучения.
Ценность сведений, собранных Гильденштедтом, отчётливо осознавали его современники и коллеги-учёные. После смерти Гильденштедта П.-С. Паллас по поручению Академии обработал дневниковые записи и другие материалы учёного и издал на немецком языке сводный труд в двух томах. Позднее части работы, касающиеся Кавказа и сверенные с рукописями, были опубликованы также на немецком языке Ю. Клапротом в 1834 году.
На русский язык оказались переведёнными и изданными лишь систематические извлечения из палласовского издания, оформленные К. Германом и предназначенные — в качестве справочника — для представителей российской администрации на Кавказе.
В 1960-х — 1970-х годах были опубликованы переводы частей работы Гильденштедта (по изданию Палласа), касающиеся Осетии, Черкесии и Балкарии). Однако подготовленные в своё время Палласом и Клапротом редакции труда Гильденштедта грешат значительными ошибками.
Ещё в 1930-х годах М. А. Полиевктов отмечал, что оба издания «устарели и совершенно не отражают на себе всего богатства гюльденштедтовского кавказоведного наследия, которое в целом остаётся… в науке совершенно не использованным». Восполнить этот существенный пробел, по мнению Полиевктова, можно было только подготовкой нового издания труда И. А. Гильденштедта, сверенного с дневниковыми записями самого автора, которые хранятся в Ленинградском отделении (ныне — Санкт-Петербургском филиале) Архива Академии наук. Полиевктов взялся за эту работу, изучил архив Гильденштедта, и в 1941 году им была подготовлена к печати рукопись под названием «По архивным следам Гильденштедта и его путешествий на Кавказ». Она не была опубликована. Позднее работу по изучению архивных материалов Гильденштедта продолжил грузинский исследователь Г. И. Гелашвили, и в 1960-х годах увидел свет двухтомник, содержавший немецкий текст с грузинским переводом «Путешествия Гюльденштедта по Кавказу», в котором зафиксированы разночтения оригинальных материалов Гильденштедта и издания П.-С. Палласа.
Идею нового издания труда И. А. Гильденштедта на русском языке вынашивал и ленинградский кавказовед Л. И. Лавров.