С ноября 1936 г. начальник 2-й (разведывательной) части штаба 15-й кавалерийской дивизии Забайкальского ВО, с апреля 1937 г. – 4-й кавалерийской дивизии Белорусского ВО. С августа 1937 г. начальник 1-го отделения, с мая 1938 г. – начальник РО штаба Белорусского ВО, полковник (26.03.1938). С октября 1938 г. И. Виноградов на учёбе в Академии Генерального штаба (с перерывами). Участник советско-финляндскойвойны 1939–940 гг., начальник штаба Особого стрелкового корпуса 9-й армии Ленинградского ВО (декабрь 1939 г. – февраль 1940 г.). С июля 1940 г., после окончания Академии Генерального штаба, в распоряжении, с августа – начальник 7-го (приграничная разведка), с июня 1941 г.–1-го (приграничная разведка) отдела РУ ГШ Красной Армии

В январе – феврале 1941 г. под руководством полковника И. В. Виноградова состоялись сборы начальников РО военных округов и армий по отработке вопросов перевода разведывательных аппаратов округов и армий на условия работы с мирного на военное время. По итогам сборов начальнику ГШ Красной Армии генералу армии Г. К. Жукову был предложен на утверждение план мероприятий по созданию в приграничных военных округах тайных баз с запасом оружия, боеприпасов и иного военного имущества, а также резервных агентурных сетей на своей территории на глубину 100–150 километров.

Вот как вспоминал об этом участник сборов генерал-майор В. А. Никольский:

«…на совещании… была вскрыта вопиющая беспечность в подготовке разведорганов к войне. Участники совещания выступали с дельными конкретными предложениями по повышению боевой готовности разведки в будущей схватке с немцами, в возникновении которой ни у кого из присутствующих сомнений не имелось. Предлагалось развернуть РО по штатам военного времени, обеспечить техникой, экипировкой, подготовить соответствующие базы на своей территории на глубину до 400 км… На таком важном совещании никто из руководителей НКО и ГШ не присутствовал, а начальник РУ генерал-лейтенант Ф. И. Голиков прибыл лишь на заключительное заседание, на котором прочёл обычную речь о повышении бдительности в общем плане, далёком от предвоенной обстановки…»

С началом Великой Отечественной войны до ноября 1941 г. в той же должности.

С ноября 1941 г. по январь 1942 г. и с февраля по июнь 1942 г. начальник РО штаба Юго-Западного фронта и войск Юго-Западного направления. Одновременно в мае – июне 1942 г. начальник РО Украинского штаба партизанского движения при военном совете фронта. Участвовал в подготовке и проведении Елецкой операции (декабрь 1941 г.), Барвенково-Лозовской операции (январь 1942 г.).

Вспоминая подготовку к Елецкой операции, Маршал Советского Союза И. Х. Баграмян, в то время начальник оперативного отдела штаба фронта и войск направления, писал:

«От командующего военно-воздушными силами фронта генерала Фалалеева поступило донесение об активных ночных передвижениях в стане противника. Цель этих перегруппировок оставалась для нас не до конца ясной. Новый начальник разведки Юго-Западного фронта полковник Илья Васильевич Виноградов, недавно прибывший к нам из Москвы, на основании собранных сведений высказал предположение, что Клейст сосредоточивает свои главные силы для удара непосредственно на Ростов. Однако это предположение нужно было подкрепить фактами. Успеет ли добыть их наша разведка?

Маршал Тимошенко приказал обратиться за помощью в Москву. И туда 15 ноября полетел запрос. Главкому хотелось перед наступлением получить данные, которые хотя бы в какой-то мере раскрывали замыслы и намерения противника на всем огромном фронте войск Юго-Западного направления. Поэтому мы просили Москву помочь нам более детально уточнить силы и намерения противника не только под Ростовым, но и в районах Харькова, Курска и Орла».

Вспоминая подготовку к Барвенково-Лозовской операции, И. Х. Баграмян отмечал:

«…мы внимательно изучали данные о силах, средствах и группировках противника, о характере инженерного оборудования его обороны. Наша разведка всех видов, особенно агентурная, связанная с партизанскими отрядами, а также информация, полученная из центра, позволяли установить, что перед войсками Юго-Западного фронта фашистское командование держит свыше десяти пехотных дивизий… Основные же силы группы армий «Юг» продолжали оставаться против Южного фронта…

Каждому, конечно, ясно, что эти ценнейшие сведения о группировке фашистских войск доставались нам непросто. Кроме войсковой и авиационной разведки их добывали сотни людей, рискуя жизнью в тылу врага…

Поступающие к нам разрозненные материалы мы «просеивали», анализировали, обобщали. В итоге создавались карты, густо покрытые условными знаками, таблицы и диаграммы.

…В разработке плана наступления мне помогали генерал-майор Л. В. Ветошников, возглавлявший оперативный отдел, начальник разведки полковник И. В. Виноградов…

…Наша разведка хорошо потрудилась для выявления обстановки в стане врага. Кроме того, наши действия в ходе Барвенковской операции принесли нам также вполне достоверные и обширные данные о состоянии обороны противника».

С июля по сентябрь 1942 г. начальник РО штаба Сталинградского фронта. Участвовал в оборонительных боях по рубежу р. Дон, в начальном периоде Сталинградской битвы.

В сентябре – ноябре 1942 г. (реально до января 1943 г.) начальник РО штаба Донского фронта. Участвовал в оборонительных и наступательных боях войск фронта севернее Сталинграда, в контрнаступлении под Сталинградом, в подготовке и проведении операции «Кольцо» по окружению и уничтожению противника в Сталинграде.

Маршал Советского Союза А. М. Василевский вспоминал:

«По разведывательным данным из фронтов, принимавших участие в контрнаступлении, а также разведывательных органов Генерального штаба, общая численность окружённой группировки, которой командовал генерал-полковник Паулюс, определялась в то время в 85–90 тыс. человек. Фактически же в ней насчитывалось, как мы узнали позднее, более 300 тыс. Значительно преуменьшенными были наши представления и о боевой технике, особенно артиллерии и танках, и вооружении, которыми располагали окружённые фашисты».

Главный маршал артиллерии Н. Н. Воронов, в годы войны представитель Ставки ВГК, вспоминая подготовку контрнаступления под Сталинградом, писал:

«К. К. Рокоссовский встретил меня очень тепло, и мы не стали терять с ним ни минуты. Прежде всего, надо было точно установить силы и средства окружённого противника. Пригласили начальника штаба фронта М. С. Малинина и начальника разведотдела штаба. Генерал Малинин доложил о состоянии частей и соединений войск Донского фронта, их группировке. Начальник разведотдела представил справку о численности и составе немецко-фашистских войск перед Донским фронтом. По его подсчётам, общая численность вражеской группировки составляла 80–90 тысяч человек. Когда я попросил уточнить цифру, он смело и уверенно назвал цифру в 86 тысяч, которые составляют пять пехотных дивизий, две мотодивизии, три танковые дивизии и три каких-то боевых отряда. По данным разведки фронта в немецкой армии личный состав различных подразделений усиления и тыловых органов являлся до некоторой степени источником для восполнения потерь, понесённых в боевых частях. Докладчик доложил, что немецкая транспортная авиация подвозит окружённым различные грузы, а на обратном пути вывозит раненых и больных, а также часть штабных офицеров для формирования новых штабов вне окружённой группировки».

Член военного совета фронта генерал-лейтенант К. Ф. Телегин в своих мемуарах также вспоминал этот эпизод:

«Помолчав немного и раскурив новую папиросу, Михаил Сергеевич [Малинин] огорчённо поведал мне о том, что и штаб фронта, и разведорганы оказались не на высоте, определив численность окружённого противника в 80–85 тысяч человек.

– Мы, в сущности, и сейчас не знаем, хотя бы более или менее точно, сколько их там на самом деле! – произнёс он, уже вовсе не скрывая раздражения. Все попытки уточнить нужные данные пока ни к чему не привели. Обильные снега и множество глубоких оврагов помогают противнику маскировать сосредоточения войск от воздушного и наземного наблюдения. Плотность вражеских войск, заключённых в кольце окружения, соответствующие меры, предпринимаемые военной контрразведкой, предельно затрудняют использование разведывательных групп и результативную заброску агентуры…