Иван Павлович Похитонов родился 27 января 1850 года в селе Матреновка Херсонской губернии в семье помещика, отставного артиллерийского офицера. Систематического художественного образования не получил. Окончил частный пансионат Гумберта в Елизаветграде, затем учился в Кадетском корпусе в Полтаве и реальной гимназии в Николаеве. В 1868 поступил в Петровско-Разумовскую земледельческую и лесную гимназию в Москве, но годом позже был исключен за участие в народовольческом кружке и выслан в родовое имение Матреновка, где в течение года находился под надзором полиции.
В 1870 переехал в Одессу, поступил на естественный факультет Новороссийского университета. Учился у И. И. Мечникова, увлекся зоологией и орнитологией. В 1870-е служил контролером касс Одесского госбанка, позднее оставил службу, став управляющим в имении отца. Параллельно самостоятельно занимался рисунком и акварелью.
В 1871 с матерью и сестрой побывал в Европе, впервые принял участие в художественной выставке в Женеве, где его акварельные пейзажи имели успех. В 1876 переехал в Италию, в 1877 поселился в Париже, целиком посвятив себя искусству. Вошел в парижское Общество взаимного вспомоществования русских художников, сблизился в В. Д. Поленовым, М. М. Антокольским, В. В. Стасовым, а также с французскими живописцами Э. Мейссонье и Ж. Бастьен-Лепажем. Некоторое время совершенствовал свое мастерство в студии Э. Карьера. В 1881 получил правительственный заказ на девять панно, изображающих места сражений русских войск в Болгарии в 1877–1878. В 1904 за эту работу был избран действительным членом ИАХ по батальной живописи.
С 1876 регулярно экспонировал свои работы в парижских салонах. Получил благожелательную критику, быстро снискав репутацию первоклассного пейзажиста. Произведения Похитонова были чрезвычайно востребованы на художественном рынке, свидетельством чего служит беспрецедентный контракт с известным маршаном Ж. Пти. По нему Похитонов вплоть до своего столетия должен был получать тысячу франков ежемесячно и шестьдесят пять процентов от стоимости проданных картин. Однако финансовые затруднения заставили Пти расторгнуть договор через 10 лет.
С 1893 постоянно жил в Бельгии, в пригороде Льежа Брессау. Много путешествовал по Италии, Франции, России. Регулярно присылал картины на выставки в Россию, участвовал в выставках Московского общества любителей художеств. В 1895 был принят в ТПХВ. В 1900 получил серебряную медаль Салона изящных искусств в Париже.
В 1901 приобрел усадьбу Жабовщина в Минской губернии, несколько лет жил и работал в ней. В 1906 вновь уехал в Бельгию. В 1911 в галерее «Лемерсье» в Москве прошла персональная выставка Похитонова. В 1913 приехал в Петербург, где из-за Первой мировой войны оставался до 1917. В феврале 1917 поехал на Кубань, жил в Екатеринодаре и Горячем Ключе. В 1919 возвратился в Бельгию. В 1922 провел большую персональную выставку в Льеже, годом позже — в Антверпене. Последние годы не мог активно работать из-за ухудшения зрения.
В 1925 в Льеже состоялась его мемориальная выставка. В 1963 выставка произведений Похитонова прошла в Государственной Третьяковской галерее.
Среди русских художников манера Похитонова была наиболее близка к французской пейзажной живописи. Об этом говорили удивительная верность и ясность цветовых эффектов, оригинальная живописная манера, конструктивность. Репин не случайно дал Похитонову точное определение «чародей-художник».
Французских ценителей живописи картины Похитонова поражали удивительной ясностью и непревзойденной гармонией. Техника художника была восхитительной. В основном Похитонов работал над миниатюрами. Он создавал картины на небольших дощечках красного или лимонного дерева, пользуясь лупой. Писал эти полотна художник с помощью тонких кистей, гладкости поверхности добивался посредством полирования рыбьей костью. Похитонову виртуозно удавалось соединить непосредственное восприятие природы с техникой миниатюрной живописи. Чаще всего он работал над пейзажами, но кроме этого создавал и портеты, натюрморты, жанровые сценки.
Так сложилось, что на родине Похитонов не имел такого успеха, как за границей. Однако работы художника высоко оценивали В.А. Серов, В.М. Васнецов, К.А. Савицкий, В.Д. Поленов, И.Н. Крамской. В 1904 году Похитонов стал действительным членом Академии художеств.
Похитонов скончался 12 декабря 1923 года в Брюсселе.
