Отступление Панфилова от Волоколамска на восток, которое он произвел в конце октября 1941 года, могло обернуться для него военным трибуналом. Но Главнокомандующий 16-й армией генерал-лейтенант К. Рокоссовский заступился за Ивана Васильевича. 16 ноября на оборонительной позиции произошел кровопролитный бой, который длился 4,5 часа. Во время наступления двух танковых дивизий в количестве 50 боевых машин советскими солдатами было уничтожено 18 из них, что вошло в историю как подвиг 28 панфиловцев.

Во время боя 18 ноября 1941 года Иван Панфилов находился в наспех организованной времянке, где общался с репортерами из московских газет. Во время внезапной танковой атаки фашистов, Панфилов поспешил на улицу, где был ранен в висок осколком разорвавшейся поблизости мины. Смерть наступила мгновенно.

Тело военачальника было доставлено в Москву, где Ивана Панфилова похоронили с почестями на Новодевичьем кладбище. В 1942 году генерал-майор получил звание Героя Советского Союза посмертно. Биография Панфилова навсегда вписана в историю победы советского народа над немецко-фашистским захватчиком.

Память
Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.
На месте гибели, в деревне Гусенево (сельское поселение Чисменское, Волоколамский район Московской области), установлен памятник.
В Алма-Ате в парке имени 28 героев-панфиловцев установлен памятник.
В Бишкеке установлен памятник в парке имени Героя Советского Союза Панфилова И. В. Памятник в Бишкеке воздвигнут в результате конкурса 1941 года на памятник генералу Панфилову (авторы Аполлон Мануйлов, Александр Могилевский и Ольга Мануйлова). Это самый первый памятник в СССР, установленный в честь героя Великой Отечественной войны.
В Астане 9 мая 2015 года открыт памятник генералу Панфилову и 28-ми героям-панфиловцам.
В Киргизии в 1942 году был образован Панфиловский район Чуйской области.
В Волоколамске на улице Панфилова — мемориальная доска на доме № 4; на Октябрьской площади города Волоколамска — бронзовый бюст.
Его именем назывался город Жаркент (1942—1991 — Панфилов) и крупный посёлок в Казахстане в Алматинской области, село в Киргизии.
Его именем названа школа в Таразе.
Его имя носит школа № 54 города Алматы.
Его имя носит школа № 116 города Самара.
Его имя носит школа № 3 города Петровска Саратовской области — школа в которой он учился, также при школе находится музей И. В. Панфилова.
Село имени И. В. Панфилова в Карасуском районе Костанайской области Республики Казахстан.
Его именем названы улицы:
в Москве — Панфиловский проспект (Зеленоградский АО) и две улицы Панфилова — в Панфиловском районе Зеленоградского АО и в районе Сокол САО;
проспект Панфилова в Донецке;
улица им. Героев Панфиловцев в Донецке;
улица Панфилова в Луганске;
улица Панфилова в Волоколамске;
улица Панфилова в Алма-Ате;
улица Панфилова в Химках;
улица Панфилова в посёлке Ленинском Павлодарской области Республики Казахстан;
Улица имени Панфилова И. В. в Бишкеке;
улица Панфилова в Перми;
улица Панфилова в Краснодаре;
улица Панфилова в Липецке;
улица Панфилова в Нахабине;
улица Панфилова в Дедовске;
улица Панфилова в Новоалтайскее;
улица Панфилова в Саратове;
улица Панфилова в Йошкар-Оле;
улица Панфилова во Владивостоке;
улица Панфилова в Санкт-Петербурге;
улица Панфилова в Акколе;
улица Панфилова в Минске;
улица Панфилова в Омске;
улица Панфилова в Кишинёве;
улица Панфилова в Батайске;
улица в его родном городе Петровск Саратовской области;
улица Панфилова в Воронеже;
улица Панфилова в Сумах, где также установлена стела в честь названия улицы;
улица Панфилова в Мариуполе;
улица Панфилова в Городце;
улица Панфилова в Темиртау.
улица Панфилова в Лисичанске,Луганская область,Украина
улица Панфилова в Петропавловске,Казахстан.
улица Панфилова в Черкесске, Карачаево-Черкесская республика.
улица Панфилова в Смоленске
улица Панфилова в Семее (Семипалатинск) Восточно-Казахстанская область Республики Казахстан
улица Панфилова в Зыряновске, Восточно-Казахстанская область, Республика Казахстан
улица Панфилова в ЗАТО г. Зеленогорск (пос. Орловка), Красноярский край