Иван Венедиков е завършил Класическа филология в Софийския университет (1934 - 1939 г.) при Александър Балабанов, Димитър Дечев, Гаврил Кацаров, Веселин Бешевлиев, Богдан Филов, като дипломната му работа е на тема "Фонетика на латинските надписи от българските земи".

От 1941 до 1944 г. е уредник в Античния отдел на музея в Скопие, като по време на първите си разкопки открива големия античен и средновековен град Баргала (Брегалница) и средновековния Козяк. Голямата част от кариерата си прекарва като уредник в Античния отдел на Археологическия музей в София. Участва в създаването на Института по тракология, а от 1978 до 1986 г. завежда отдел "Антична археология" в Националния исторически музей. В продължение на дълги години чете лекции по история на Тракия в Софийския университет. Става професор през 1981 г.
Създава изложбата "Тракийското изкуство", включваща най-интересните тракийски паметници от цяла България (1972 г.), която обикаля световните музеи.

От 1945 до 1949 г. ръководи разкопките в Созопол, 25 г. е научен ръководител на археологическите проучвания (включително и подводни) в Несебър (1949 - 1974 г.). През 1971 г. организира експедиция, която за първи път проучва скалните гробници на одрисите в Родопите. През 1975 г. участва в проучванията на долмените в Странджа и Сакар. Наред с тези големи проучвания той се занимава и с по-малки, но интересни обекти: тракийското светилище при с. Лиляче, нимфеума при с. Каснаково, гробниците при Ветрен и Враца, тракийските колесници в Кюстендилско и много други. В повечето от тези експедиции участие вземат и ученици, студенти, стажанти, по-млади колеги, на които професор Венедиков предава опита и знанията си.

Иван Венедиков е автор на около 250 научни труда, около 20 от тях монографични.