Из древнего княжеского рода. Родился в Варшаве, жил у деда Г. Ф. Долгорукова, затем у дяди С. Г. Долгорукова. В 1723 году приехал в Россию.
Начав службу гоф-юнкером великого князя Петра Алексеевича (будущего императора Петра II) (1725), стал вскоре его фаворитом. Был генералом от инфантерии (1728), обер-камергером (1728), майором лейб-гвардии Преображенского полка (1730). Получил титул «светлости» (1729).
Накануне смерти Петра II принял активное участие в составлении подложного завещания, оставлявшего престол наречённой невесте императора княжне Е. А. Долгоруковой (сестре Долгорукова) и лично подделал императорскую подпись. Указом Анны Иоанновны от 9 (20) апреля 1730 года вместе с семейством отца и молодой женой Натальей Борисовной сослан в Берёзов.
В 1737 году в Санкт-Петербург поступил донос тобольского подьячего О. Тишина о том, что сосланный фаворит ведет вольный образ жизни, не скован материально и предается кутежам, во время которых много рассказывает о столичном житье, нравах высшего света, говорит «важные злодейственные непристойные слова» об императрице Анне Ивановне и Э. И. Бироне.
В 1738 году было начато следствие. Долгорукова вывезли в Тобольск, затем в Шлиссельбург. На допросах под пытками он рассказал о подложном завещании и роли в его составлении своих родственников.
По обвинению в государственной измене 8 ноября 1739 года на Красном поле в Новгороде он был казнён (колесован) вместе с двумя родными дядями (С. Г. Долгоруковым и И. Г. Долгоруковым) и одним двоюродным (В. Л. Долгоруковым).
Иван Алексеевич Долгоруков по преданию, проявил необыкновенное самообладание; в то время, когда тяжелое колесо дробило его голени и предплечья он читал вслух молитвы, не позволив себе даже крика. Это удивительная кротость и вместе с тем сила духа поразили современников.
Тела казненных были преданы земле на Рождественском кладбище, которое находилось в трех километрах от Новгорода за рекой Малый Волховец.
Был женат на наследнице богатых имений Наталье Борисовне Шереметьевой (1714—1771). Она оставила «Записки», которые охватывали период ее жизни до приезда в ссылку в Берёзов. Имели двух сыновей.