Estudió Física y Química en la Universidad de Columbia, donde se licenció en 1903 en ingeniería metalúrgica, y posteriormente en la Universidad de Göttingen, donde se doctoró bajo la supervisión de Walther Hermann Nernst en 1906.

En 1912 contrajo matrimonio con Marion Mersereau, con quien tuvo dos hijos, Barbara y Kenneth.

También trabajó en la obtención de vacíos, ideando la bomba de condensación de mercurio, al observar cómo los electrones emitidos por un cátodo incandescente en un recinto que se encuentra a una presión muy baja, se mantienen alrededor del cátodo formando una nube electrónica.

Langmuir y su colega estadounidense Gilbert Lewis desarrollaron una teoría de la interacción química y la valencia basada en la estructura del átomo, conocida como teoría de Langmuir-Lewis.

Fue galardonado en 1918 con la medalla Hughes, concedida por la Royal Society «por sus investigaciones en física molecular».