В 1755 году был принят в воспитанники гимназии при Московском университете, через год переведён из него в гимназию при Санкт-Петербургской академии наук и в 1758 году поступил в ученики Академии художеств к А. Ф. Кокоринову и Ж. Б. Валлен-Деламоту. Окончив в ней курс, с 1762 по 1768 год путешествовал за границей в качестве пенсионера Академии художеств, был в Париже, где учился у Ш. де Вайи и в Риме.
По возвращении в Санкт-Петербург за проект здания для кадетского шляхетского корпуса был признан в 1769 году академиком, в следовавшем затем году занял в академии должность адъюнкт-профессора, из которой в 1770 году повышен в профессоры и в 1794 году — в адъюнкт-ректоры. В 1772—1774 годах — главный архитектор «Комиссии о каменном строении Санкт-Петербурга и Москвы».
Важнейшие из его сооружений:
Санкт-Петербург и окрестности:
- Троицкий собор в Александро-Невской лавре (1776—1790 годы), там же надвратная церковь (1783—1785 годы);
- Софийский собор в Софии, близ Царского Села (1782—1788 годы, участие в строительстве совместно с Ч. Камероном
- Воскресенская церковь на Волковском кладбище (1782—1785 годы)
- Таврический дворец (1783—1788 годы);
- Князь-Владимирский собор (1783—1789 годы, перестройка после пожара);
- Пеллинский дворец (1785—1796);
- Дачные дворцы в имениях Тайцы и Сиворицы Санкт-Петербургской губернии.
Тульская область:
- Дворцовый ансамбль в Богородицке (1771-1776).
Украина:
- Екатерининский собор в Херсоне на Перекопской улице, 13 (1786 год)
- Потемкинский дворец в Екатеринославе (1787—1789 годы)
Память
- В честь И. Е. Старова названа улица в Николаеве.
