Иван Сергеевич был педагогом более полувека. И не просто педагогом, но одним из тех, кто десятилетиями возглавлял архитектурное образование, будучи ректором головного в стране Московского архитектурного института. При нем институт широко отметил столетие своего существования, был награжден орденом Трудового Красного Знамени. Именно как педагог И. С. Николаев получил и большое международное признание — Международный союз архитекторов (MCA) присудил ему премию имени Ж. Чуми, которой отмечаются зодчие, внесшие особенно большой вклад в развитие архитектурного образования. Всего несколько человек в мире отмечены этой высокой профессиональной наградой.
Широкий комплексный подход к архитектурному творчеству переносился И. С. Николаевым и на педагогику. При нем Московский архитектурный институт воспринял, объединил и развил многие лу^ птие черты, которыми отличалась подготовка зодчих во Вхутемасе и на архитектурном отделении МВТУ. При поддержке И. С. Николаева в институте был создан ряд новых кафедр, как технических, так и проектных, историко-теоретических. Среди них — кафедра истории советской архитектуры, впервые сосредоточившая внимание на том, чтобы показать студентам социальное и творческое новаторство нашего зодчества как закономерный исторический процесс, привить им навыки к историческому и теоретическому осмыслению современных актуальных проблем отечественной и зарубежной архитектуры.
Существенным было не только само расширение знаний, которые давались молодым архитекторам, но прежде всего стремление гармонизировать учебный процесс, найти пропорцию и меру в усвоении студентами отдельных дисциплин сложной многопрофильной профессии. Характерно, например, что на кафедру архитектурных конструкций был приглашен профессор А. В. Кузнецов — учитель И. С. Николаева, не инженер, а опытнейший архитектор, на практике превосходно представлявший себе необходимый уровень конструктивной подготовки зодчих.
В отношении И. С. Николаева к своим коллегам и ученикам важную роль играла культура как таковая, культура не поверхностная, а ставшая существом человека. Он любил и прекрасно знал музыку, интересовался литературой, театром. Разнообразных культурных интересов он требовал и от педагогов и от студентов, справедливо почитая архитектора создателем и хранителем мировой культуры.
В конце 1930-х — начале 1950-х гг., когда в советской архитектуре господствовал классицизирующий ретроспективизм, И. С. Николаев, как и другие руководители и профессора Московского архитектурного института, уделял большое внимание воспитанию у студентов логики творческого мышления, способствовал изучению лучших произведений прошлого — архитектурной классики, развитию нкуса и художественных навыков.
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.