Участник восстания 1830–1831 гг. С июля 1832 г. в эмиграции во Франции, где слушал лекции выдающихся ученых, участвовал в геологических экскурсиях. В 1834 г. поступил в Горную школу. Окончив ее (1837), И. Домейко получил диплом инженера. Был направлен на работу в Эльзас, где обнаружил богатые залежи железной руды. В 1838–1846 гг. – профессор химии и минералогии в Горной школе Ла-Серена в чилийском г. Кокимбо (сейчас местный университет носит его имя). В декабре 1848 г. Домейко получил чилийское гражданство. В 1852 г. был назначен руководителем делегатуры по делам высшей школы. В 1867 г. избран ректором Чилийского университета (переизбирался четырежды, оставаясь в этой должности шестнадцать лет). Одновременно – профессор химии, физики и минералогии этого университета.
Научные работы И. Домейко посвящены геологии, минералогии, географии. Составил географическую, геологическую и экономическую карту бывших земель Речи Посполитой. Занимался минералогическими исследованиями.
Основал в Горной школе физический кабинет, химическую и горную лаборатории, научную библиотеку. Совместно со студентами во время каникул организовывал экспедиции, проводил разнообразные исследования по изучению природных богатств, полезных ископаемых. Комплектовал минералогические и зоологическую коллекции. По разработанной им методике знания закреплялись практическими занятиями по химии, физике, геологии.
Изучал жизнь коренных жителей Южной Америки – индейцев, их традиционную культуру. Автор книги о них «Араукания и ее жители» (1845).
Занимался организацией образования и научных учреждений в Чили. Инициировал и провел реформу высшего образования, что позволило привлечь к науке лучшие интеллектуальные силы страны. Писал учебники для школ по естественным наукам Создал Музей минералогических и палеонтологических материалов, организовал библиотеку природоведения. В Горной школе готовил национальные кадры преподавателей горного дела, геологов и минералогов.
Ввел в Чили метрическую систему мер и веса, открыл богатые месторождения золота, серебра, меди, каменного угля, селитры. Организовал их добычу. Предложил использовать селитру для удобрения почвы. Собрал и описал множество ранее неизвестных науке минералов, растений, окаменелостей и метеоритов.
Первым начал картографирование и районирование географических и геоморфологических явлений, составил геологическую карту Чили. Основал метеорологическую службу в Сантьяго-де-Чили. Отыскал в горах источники чистой воды. Провел оттуда в Сантьяго водопровод, полностью решив проблему водообеспечения города.