Fils de Robert Somerhalder, entrepreneur immobilier, et de Edna, kinésithérapeute, Ian Somerhalder est né en Louisiane. Il a des origines française et anglaise du côté de son père, et irlandaise et choctaw de celui de sa mère. Il a un frère, Robert, et une sœur, Robyn. Il débute dès l'âge de 10 ans une carrière de mannequin. À 16 ans, il s'installe à New York où il continue de jouer les modèles. Il travaille alors pour les plus grands : Versace, Calvin Klein, Dolce & Gabanna et bien d'autres.
À 17 ans, il prend des cours de comédie et obtient ses premiers rôles dans des séries. Il intègre le casting de Young Americans, un spin-off de Dawson diffusé durant l'été 2000 sur la chaîne WB. Mais la série ne dépasse pas les huit épisodes. L'année suivante, il joue le nouveau petit ami de Lana Lang, Adam Knight, dans la saison 3 de Smallville. En 2002, l'acteur tourne aux côtés de James Van Der Beek dans Les Lois de l'attraction de Roger Avary.
En 2004, J.J. Abrams l'engage pour incarner Boone Carlyle dans la première saison de Lost : Les Disparus. Malgré la mort de son personnage dans le 20e épisode de la première saison, il est revenu dans sept épisodes.
En mai 2006, il fait partie de la liste des 10 meilleurs mannequins masculins de l'agence DNA Models.
En 2009, Ian Somerhalder est à l'affiche de la série évènement The Vampire Diaries où il y incarne le rôle de Damon Salvatore. Il partage l'affiche avec Paul Wesley qui incarne son frère Stefan Salvatore dans la série et Nina Dobrev alias Elena Gilbert, la fille qui fait chavirer le cœur de ces deux jeunes hommes.
Ian Somerhalder a fait partie des célébrités impliquées dans le nettoyage du golfe du Mexique après la catastrophe pétrolière de la plateforme Deepwater Horizon le 22 avril 2010. C'est un membre de l'association St. Tammany Humane Society qui s'occupe d'animaux abandonnés ou maltraités. Il participe aussi au projet It Gets Better Project avec Candice Accola, sa partenaire dans la série The Vampire Diaries. En 2010, il a monté sa propre association, The Ian Somerhalder Foundation, une association environnementale.