Сын генерал-майора Фёдора Дмитриевича Тутолмина, родился 25 октября 1837 года. Образование получил в 1-м кадетском корпусе, из которого 6 июня 1857 года выпущен в лейб-гвардии Уланский Её Величества полк. В 1862 году в чине штабс-ротмистра окончил курс наук в Николаевской академии Генерального штаба и затем служил на различных должностях в качестве офицера Генерального штаба, причем в этом качестве принимал участие в подавлении Польского восстания 1863—1864 годов и в 1863 году за отличие награждён орденом св. Анны 4-й степени, в 1864 году был произведён в ротмистры.
Произведённый в 1869 году в полковники, Тутолмин в 1872 году был назначен командиром лейб-гвардии Уланского Её Величества полка. В том же году был награждён орденом св. Анны 3-й степени с мечами и бантом.
С началом русско-турецкой войны был назначен командиром 1-й бригады Кавказской казачьей дивизии (с зачислением в Терское казачье войско) и был в делах на Европейском театре военных действий. За отличие был 2 октября 1877 года произведён в генерал-майоры и 8 октября того же года был награждён орденом св. Георгия 4-й степени
25 октября 1877 года награждён золотой саблей с надписью «За храбрость». Также за кампанию против турок в том же году получил орден св. Владимира 3-й степени (мечи к этому ордену пожалованы в 1880 году).
По окончании войны, в 1879 году, Тутолмин был переведён в распоряжение генерал-инспектора кавалерии в качестве генерала для особых поручений, в 1880 году награждён орденом св. Станислава 1-й степени; в 1882 году назначен начальником Офицерской кавалерийской школы и на этой должности был личным воспитателем великого князя Петра Николаевича, в 1883 году награждён орденом св. Анны 1-й степени.
В 1885 году Тутолмин получил в командование 1-ю Кавказскую казачью дивизию и в 1886 году произведён в генерал-лейтенанты. В 1893 году был назначен начальником Кавказской кавалерийской дивизии; вслед за тем в 1895 году возглавил 5-й армейский корпус, которым, впрочем, командовал около года, и в 1896 году был назначен помощником генерал-инспектора кавалерии.
В 1901 году Тутолмин вошёл в члены Военного совета.
Скончался 7 августа 1908 года.
Брат Ивана Фёдоровича, Николай Фёдорович Тутолмин, скончался в 1887 году в чине майора, другой брат — Дмитрий.
