Родился 20 января 1920 года в селе Бузово (ныне Волчанский район Харьковской области Украины). В 1936 окончил 7 классов средней школы, в 1940 году - 3 курса Харьковского строительного техникума и Харьковский аэроклуб. С 11 августа 1940 года в рядах Красной Армии, призван Кагановичским РВК (города Харькова). В 1941 году окончил Чугуевскую военную авиационную школу пилотов и был оставлен в ней лётчиком-инструктором. В 1942-1943 гг. служил командиром звена во 2-м ЗИАП ВВС Московского военного округа (станция Сейма).

С августа 1943 года младший лейтенант И. М. Сухомлинов в действующей армии, боевую работу начал 5 ноября 1943 года. Воевал в составе 937-го ИАП (322 иад), где прошёл путь от командира звена до командира эскадрильи. Сражался на 1-м Прибалтийском, 3-м Белорусском и 1-м Украинском фронтах. Участвовал в Орловской и Брянской наступательных операциях, освобождении Белоруссии и Польши, в Берлинской и Пражской операциях. Летал на Ла-5 и Ла-7.

К 9 мая 1945 года командир эскадрильи 937-го истребительного авиационного полка (322-я истребительная авиационная дивизия, 2-й истребительный авиационный корпус, 2-я Воздушная армия, 1-й Украинский фронт) капитан И. М. Сухомлинов совершил 188 боевых вылетов, в воздушных боях сбил лично 9 самолётов противника.

После окончания войны продолжал служить на различных должностях в ВВС (Центральная группа войск, Закавказский военный округ). С августа 1949 по июль 1959 гг. - лётчик-испытатель ГК НИИ ВВС (в 1949-1954 гг. - Управление спецслужб, в 1955-1959 гг. - Управление испытания авиавооружения). Провёл ряд испытательных работ на Ил-14, МиГ-15 и МиГ-19. В сентябре 1954 - октябре 1955 гг. испытывал серийные Як-11 и МиГ-15УТИ на авиазаводе в Чехословакии. В 1959 году окончил 4 курса Военно-Воздушной академии (в Монино). С 27 июля 1959 года полковник И. М. Сухомлинов - в запасе. В 1960-1964 гг. работал пилотом в Гражданском Воздушном Флоте. В 1965 году окончил курсы при Школе лётчиков-испытателей. С 1964 года работал лётчиком-испытателем НИЛИЦ (НПО "Взлёт"). Провёл ряд работ по испытания различного оборудоваания и аппаратуры на Ми-4, Ми-6, Ми-8, Ми-10, Ил-14 и их модификациях. Заслуженный лётчик-испытатель СССР (22.08.1972). С 1981 года работал инженером по Гражданской Обороне в Госплане СССР. Умер 30 ноября 1985 года. Похоронен в Москве, на Кунцевском кладбище.

Награждён орденами: Красного Знамени (27.08.1944), Отечественной войны 2-й степени (10.02.1944, 11.03.1985), Красной Звезды (22.02.1955), Октябрьской Революции; медалями, в том числе "За боевые заслуги" (15.11.1950).