И. С. Гагин родился 24 (13 по ст. ст.) октября 1771 г. в купеческой семье. Его отец, Сергей Борисович Гагин, принадлежал к одному из посадских родов Касимова. Гагины в XVII–XVIII вв. были одной из самых влиятельных городских фамилий. 10 ноября 1794 г. был заключен брак между И. С. Гагиным и дочерью подканцеляриста касимовского городового магистрата Анной Алексеевной Яковлевой. 

Иван Сергеевич с детства был вовлечен в семейные торговые дела. Став самостоятельным купцом, служил у питейных откупщиков, занимался хрустальным производством во Владимирской губернии, затем открыл в Касимове небольшую фабрику по производству фаянсовой посуды. Однако коммерческие предприятия Гагина не увенчались успехом и он выбыл из купечества. 

С 1810-х гг. Иван Сергеевич занимался архитектурным проектированием, обследовал и зарисовывал археологические памятники касимовской округи и татарские древности, сохранившиеся в городе и его окрестностях. Одновременно он работал над историей родного города, в которую должны были войти сюжеты истории Касимова от средневековья до первой половины XIX в. В 1816 г. И. С. Гагин поступил на службу землемером. В 1820-х гг. Иван Сергеевич активно занимался проектированием как общественных зданий, так и домов для дворян, купцов, мещан. Желание касимовского купечества иметь дома не хуже дворянских имений способствовало раскрытию таланта архитектора И. С. Гагина. 

В 1823–1825 гг. он разрабатывал проект торговых рядов на Соборной площади Касимова. Классический памятник архитектуры отличается строгостью и выразительной лаконичностью форм. Колонны, опоясывающие фасад здания одного из трех корпусов, придают ему солидность, сочетающуюся с воздушной легкостью. В центр торгового ряда архитектор удачно вписал портик, состоящий из 12 колонн, расположенных парами. Практически все время своего существования ряды использовались по прямому назначению — как торговые и складские помещения. После пожара 1828 г. талантливый архитектор-самоучка составил проект городской застройки и проекты зданий, украшающих нынешнюю улицу Советскую, в частности, дом А. С. Салазкина, также дома М. Кастрова и Барковых на улице Набережной. Практически все здания на улице Соборной, главной достопримечательности города, спроектированы И. С. Гагиным, среди них: дом Ф. С. Скорнякова, дом городского головы Н. М. Наставина, дом А. Муромцевой. Трехэтажный усадебный особняк купца И. О. Алянчикова — величественное, внушительных размеров здание. Роскошью отделки второй этаж подчеркивал имущественный статус хозяина. Разрабатывая проект купеческого особняка, Иван Сергеевич планировал украсить его балконом и красивым портиком, однако купец решил отказаться от архитектурных излишеств и обойтись более простыми формами, сохранив внушительные размеры усадебного строения. 

И. С. Гагин прославился и как знаток родного края; проводил он и археологические исследования. Его работы «Статистические и топографические исследования города Касимова», «Состояние города Касимова с глубокой древности», «Описание о водворении татарских царей в городе Окском и начатке первого царя Касима столицы с 1465 г. в бывшей Мещерской области», «Описание Рязанской столицы» и другие содержат бесценные исторические материалы, являются важным источником сведений по истории Касимовской земли. 

В планах И. С. Гагина было возведение на главной площади Касимова собора Воскресения Христова, мощь и великолепие архитектурного убранства которого превзошли бы знаменитый собор святого Петра в Риме. 

Представив в 1837 г. наследнику российского престола Александру Николаевичу, посетившему Касимов во время поездки по стране, свое сочинение статистического описания города с окрестностями, а также планы и рисунки проектируемого грандиозного храма, И. С. Гагин получил известность и в придворных кругах. Внимание на него обратил не столько наследник, сколько следовавший в его свите К. И. Арсеньев, позже активно поддерживающий идею составления подробной истории Касимова и выступавший покровителем Ивана Сергеевича. Ему же была завещана часть рукописей, чертежей и личный архив архитектора; значительный массив бумаг И. С. Гагина был обнаружен спустя много лет после его кончины в тайнике в доме Гагиных. 

Умер И. С. Гагин 1 октября 1844 г. Похоронен на касимовском городском кладбище. 

Данилевский В. В. [Иван Сергеевич Гагин, механик из Касимова (1767–1844): портрет] //Данилевский В. В. Русская техника. — Л., 1947. — С. 186. 

Платонова Р. И. Творческое наследие архитектора И. С. Гагина // Памятники русской архитектуры и монументального искусства. — М., 1985. — С. 170–206. 

Кочнев В. Талантливый самоучка // Приокская правда. — 1988 .— 7 июля. 

Барашин А. Увековечить память о Гагине // Мещерская новь. — Касимов (Ряз. обл.), 1990. — 31 июля.  

Родин Н. Самородок // Там же. — 1992. — 4 марта. 

Елисеев В. Знаток родного края // Там же. — 1997. — 7 окт. 

Шадевский А. Самородок // Рязанские ведомости. — 1998. — 9 янв.; Мещерская новь. — Касимов (Ряз. обл.), 1998. — 20 янв. 

Чекурин Л. В. Гагин Иван Сергеевич // Рязанская энциклопедия / гл. ред. В. Н. Федоткин. — Рязань, 1999. — Т. 1. — С. 133. 

Филиппов Д. Ю. Творческая личность и городская среда: характер взаимоотношений // Региональная история в российской и зарубежной историографии: тез. докл. междунар. науч. конф., 1–4 июня 1999 г. — Рязань, 1999. — Ч. 1. — С. 34–39. 

Губина О. Он был не только архитектор // Мещерская новь. — Касимов (Ряз. обл.), 1999. — 13 авг. 

Филиппов Д. «Примечательный русский человек» // Рязанские ведомости. — 2000. — 18 нояб.; Вечерняя Рязань. — 2000. — № 50 (22 дек.). — С. 21. 

Филиппов Д. Ю. Творческое наследие деятеля провинциальной культуры первой половины XIX века И. С. Гагина // 200 лет первому изданию «Слова о полку Игореве»: материалы юбилейных чтений по истории и культуре древней и новой России, 27–29 авг. 2000 г., Ярославль–Рыбинск. — Ярославль, 2001. — С. 294–299. 

Акимов В. В. Сказ об Иване Сергеевиче Гагине, касимовском архитекторе // Акимов В. В. Безвременье: стихотворения. — Рязань, 2002. — С. 58–59. 

Имена — на все времена: Юрий Долгорукий, Касим-хан, Гагин И. С. / подготовил Ю. Предеин // Мещерские вести. — Касимов (Ряз. обл.), 2002 .— 13 авг. 

Филиппов Д. Ю. И. С. Гагин: новые биографические материалы // Провинциальное культурное гнездо (1778–1920-е годы): сб. статей и материалов. — Рязань, 2005. — С. 34–67: прил. 

Грачева И. В. «Прекрасный тип Кулигина, тип не вымышленный…» // Наука и жизнь. — 2005. — № 11. — С. 74–80. 

Филиппов Д. Ю. И. С. Гагин в документах ГАРО: новые автографы и материалы к биографии // Рязанская старина. — Рязань, 2006. — Вып. 2–3: 2004–2005. — С. 90–99: ил. 

Ларчева Г. Застывшая музыка площади Соборной // Мещерская новь. — Касимов (Ряз. обл.), 2006. — 12 окт. 

Ларчева Г. «Симфония» в камне // Рязанские ведомости. — 2006. — 29 дек. 

Гагин Иван Сергеевич // Каталог личных архивных фондов отечественных историков. — М., 2007. — Вып. 2: Первая половина XIX века. — С. 132–133.151 

Филиппов Д. Ю. Путь к истории: Иван Гагин и его историографическое наследие // Историографическое наследие провинции: материалы 4-й науч. — практ. конф., посвященной памяти Д. И. Иловайского и М. К. Любавского. — Рязань, 2009. — С. 88–111.

Филиппов Д. Ю. И. С. Гагин и его творческое наследие в публикациях и исследованиях // Рязанская старина. — Рязань, 2013. — Вып. 4–6: 2006–2008. — С. 108–126. 

Астафьев В. О чем поведали архивы // Рязанские ведомости. — 2014. — 23 сент. 

Архитектор-самоучка, построивший Касимов / подготовил А. Барашин // Дом.Строй. — Рязань, 2014. — № 39 (8 окт.). — С. 18–19. 

Иван Сергеевич Гагин: касимовский архитектор / Государственный исторический музей и др.; [текст Д. Филиппова]. — Рязань, 2014 — 1 л. слож. втрое.