Дуйчев е роден в София през 1907 година. През 1932 г. завършва история в Софийския университет „Климент Охридски“ като ученик на проф. Васил Златарски, проф. Петър Мутафчиев, проф. Петър Ников и проф. Петър Бицилли.
Специализира в Италия (1932-1936), където под ръководството на проф. Силвио Джузепе Меркати разработва и защитава докторат в Римския университет на тема "Българските Асеневци във Византия" (1934). Завършва и курс във Ватиканската школа по палеография и архивистика в Рим. По това време негов покровител и наставник е префектът на Архива на Ватикана кардинал Анджело Меркати.
По-късно Иван Дуйчев последователно стана асистент и доцент по средновековна българска история в Софийския университет (1936-януари 1945). По убеждения ученият е близък до толстоизма и сп. "Възраждане". Неговата малка книжка "Македония в Българската история" (1941) е включена от отечественофронтовската власт в списъка с "фашистки книги", а самият Дуйчев е уволнен от университета и за няколко години е принуден да се препитава като превежда романи и научна литература от френски език.
От 1950 г. Иван Дуйчев е старши научен сътрудник в новооснования Институт за българска история (днес Института по история) при Българска академия на науките.
През 1981 г. е избран за член на Българската академия на науките. Участник е в международни конгреси и конференции, член на Академията на науките, литературата и изкуствата в Палермо, член-коренспондент на Британската академия (Лондон), член на Понтификалната академия по археология (Рим), носител на Хердерова награда (1974). Научната му продукция включва над 500 публикации.