Родился в Красноярске в семье пензенского помещика, приехавшего в Сибирь заниматься добычей золота. Мать приходилась двоюродной племянницей В. Г. Белинскому. Детство провёл в родном городе, с 1852 по 1860 годы учился в Санкт-Петербурге в пансионе при Горном институте. По окончании института Лопатин поступает на службу чиновником по горному ведомству при Главном управлении Восточной Сибири. Руководит многочисленными экспедициями. Семьи не имел. В 1870 году хронические проблемы с лёгкими дают о себе знать и 30-летний Лопатин вынужденно выходит в отставку и поселяется в Красноярске. При этом он не оставляет научной деятельности, занимается археологией, а также руководит работами на приисках. В 80-х годов вынужден жить в родовом имении в Пензенской губернии, приезжая в Красноярск лишь по необходимости. Часто выезжает лечиться за границу. Его приезд в Красноярск в 1909 году стал последним: возвратившись с приисков в город, учёный тяжело заболел и вскоре скончался.
Экспедиции
1862 год: экспедиция в устье р. Селенги для изучения последствий землетрясения 1862 года.
1863 год: экспедиция по поиску месторождений золота на Дальнем Востоке. Золота Лопатин не нашёл и пришёл к выводу о бесперспективности его поиска в этом районе. Зато он обнаружил в Приморье большое месторождение бурого угля, за что был представлен к награде.
1864 год: Витимская экспедиция, сделавшая Лопатина известным в научных кругах. Он первым дал сведения о геологическом строении Витимского плоскогорья. Нашёл несколько золотоносных участков и представил план по их разработке.
1867—1868: Сахалинская экспедиция, пройдено более 1600 вёрст. Нашёл месторождения угля, дал подробные описания многих районов острова. Снова представлен к награде.
70-е годы: раскопки в окрестностях Минусинска. Лопатин получил открытый лист от Русского Археологического общества, позволивший ему вести раскопки. Останавливаясь у двоюродного брата в Минусинске, Лопатин за несколько лет собрал весьма полную коллекцию поздней бронзы. Эта коллекция впоследствии экспонировалась в Эрмитаже, а после смерти Иннокентия Александровича была передана Археологической комиссии и перешла в общественное достояние.