Depois de ter estudado na sua cidade natal, em Paris, em Filadélfia, e novamente em Brooklyn, Langmuir graduou-se em Engenharia Metalúrgica, na Escola de Minas de Columbia. Tirou uma pós-graduação na conceituada Universidade de Göttingen, escolha que se revelou acertada, uma vez que lhe permitiu trabalhar sob a orientação de Walter Nernst.

Uma vez de volta aos EUA, tornou-se o primeiro investigador livre de compromissos. Com uma pequena equipa de assistentes e um fundo de investigação, explorou diversos campos onde fez descobertas espantosas.

A sua primeira grande pesquisa iniciou-se com o estudo do comportamento de diferentes gases numa lâmpada. Desta forma, foi capaz de traçar uma imagem clara das emissões de partículas carregadas electricamente de um metal aquecido. Foi dos primeiros investigadores a trabalhar com plasma.

Elaborou estudos que lhe permitiram isolar hidrogénio na sua forma atómica. A aplicação prática que Langmuir concebeu foi um maçarico de hidrogénio que atingia temperaturas tão altas que podia ser utilizado onde o maçarico convencional de óxido de acetileno falhava.

O auge da carreira de um cientista é a atribuição de um Nobel. Langmuir andava fascinado com a química das superfícies: estudou as propriedades de camadas de partículas e a forma como se faz a passagem de partículas através daquelas. Langmuir também estudou as interfaces entre diferentes fases, proporcionando uma clarificação acerca da verdadeira natureza das superfícies de adsorção.

Como resultado das suas investigações no projecto de detecção de submarinos, conseguiu melhorar a qualidade das gravações sonoras.

Entre os anos de 1919 e 1921, concentrou as suas atenções na teoria atómica. No seu trabalho intitulado "Teoria da Estrutura Atómica Concêntrica", propôs que todos os átomos procuravam ter um total de 8 electrões na sua camada mais externa. Propôs também a divisão das ligações químicas em covalentes e iónicas, explicando correctamente as suas diferenças. Definiu e explicou os termos "valência", "isoelectrónico" e "isómero". Ainda assim, é raro encontrar um livro de texto que reconheça os seus contributos para o desenvolvimento do conhecimento da estrutura dos átomos.

Durante a Segunda Guerra Mundial, desenvolveu um método químico para retirar o gelo das asas dos aviões. Esta pesquisa transformou-o num dos pais da chuva artificial, uma vez que fazia parte da equipa que primeiro pulverizou pedaços de gelo e cristais de iodo para "semear" nuvens.

Levou uma vida de aventuras e de amante da natureza: escalou o Matterhorn, pilotou aviões, esquiou, patinou e chegou a andar cerca de 70 km num dia.

Foi descrito por um colega como sendo "a pessoa mais parecida com uma máquina que eu alguma vez conheci: introduzia-se os dados e recebiam-se rapidamente as conslusões".