И. С. Николаев участвовал в становлении советской архитектурной науки практически на всех ее этапах. С 1929 г. он — член редколлегии «СА». В этом журнале, где вместе с маститыми Весниными н М. Я. Гинзбургом работали 20-летние Г. М. Орлов, А. К. Буров, И. Н. Соболев и другая архитектурная молодежь, Иван Сергеевич помещал первые свои научные статьи с анализом плоских кровель и световых проемов, игравших важную роль в современной архитектуре. В 1930-е гг., продолжая типологические исследования ткацких фабрик, он пишет и издает ряд специальных статей и справочных изданий. Одновременно обращается к проблемам истории мировой архитектуры.
Его интересовала прежде всего архитектура инженерных сооружений древности, поражавшая своей органичностью, единством замысла и реализации. В те времена, когда зодчий и задумывал, и конструировал, и рассчитывал, и строил свое сооружение, он действительно творил по законам красоты, и его инженерные постройки в выразительности и монументальности едва ли уступали храмам. Эта, казавшаяся чисто утилитарной, область античной архитектуры до И. С. Николаева почти не привлекала к себе внимания исследователей, хотя именно здесь выпукло выступали важные внутренние творческие закономерности. Трактат о римских акведуках, ставший докторской диссертацией И. С. Николаева, сегодня вошел в число классических работ советских историков архитектуры. Статьи об античных инженерных сооружениях Ивана Сергеевича публиковались не только в профессиональной архитектурной печати, но и в таких изданиях Академии наук СССР, как «Советская археология», «Культура античного мира» и др. На основе материалов этих последований он написал один из первых томов «Всеобщей истории архитектуры» — том, посвященный античному Риму.
Вероятно, именно в это время рождается у И. С. Николаева интерес и к творческой лаборатории древних мастеров, которую он будет стремиться постичь до самых последних своих дней. Некоторые результаты этих исследований были опубликованы не только в статьях, посвященных античности, но и в книге «Творчество древнерусских зодчих», где автор обратился к материалам отечественной истории, пытаясь проникнуть в скрытую временем и почти полным отсутствием письменных источников тайну работы над своими произведениями русских градодельцев и храмосоздателей.
И еще одна тема постоянно привлекала внимание И. С. Николаева как ученого: отдав много сил развитию промышленного зодчества, он рано убедился в том, что крупные производственные предприятия — это не просто градообразующий фактор, но и важный определяющий элемент всей городской жизни. Промышленность и город. Их взаимовлияние, связи, пути развития. Как часто промышленные предприятия оставались неприглядным «хозяйственным двором» города, уродовали его облик. И. С. Николаев показал, что это не закономерность, а «дурная привычка», оставшаяся от прошлого. Промышленные предприятия с их мощными, монументальными, проникнутыми романтикой созидания формами, инженерные сооружения крупного масштаба, гармоничные логикой заложенной в них технической мысли и искусством архитектора, могут и должны быть одним из главных средств художественной выразительности городов, активно участвовать в формировании их образного строя. Эту мысль И. С. Николаев последовательно отстаивал на протяжении четырех десятков лет. Первая его работа на эту тему — «Завод и город» - вышла в издательстве Академии архитектуры СССР в 1937 г. В монографии «Промышленные предприятия в городах. Размещение, планировка, благоустройство» он подвел итоги этим исследованиям, показав, что основы промышленной архитектуры, ее влияния на город закладываются еще при размещении промышленных предприятий, когда устанавливаются их взаимосвязи с городом и затем уточняются и развиваются на всех стадиях градостроительной деятельности — от планировки промышленных районов города до благоустройства промышленных предприятий. И в этом исследовании, касающемся главным образом практики сегодняшнего дня, архитектор остается историчным, показывая, как в разных странах, на разных временных этапах складывались взаимоотношения индустрии и города.
Всеобщим признанием научного вклада И. С. Николаева в дело развития советской архитектуры было избрание его в 1950 г. членом-корреспондентом Академии архитектуры СССР, а в 1956 г.— действительным членом Академии строительства и архитектуры СССР.
Многогранная деятельность И. С. Николаева отмечена высокими правительственными наградами — орденами Ленина, Трудового Красного Знамени и многочисленными медалями. Он был членом КПСС с 1952 г., в 1961 г.— делегатом XXII съезда КПСС.