Основное направление его деятельности — инфекционная иммунология, механизмы участия нейтрофилов в антимикробной защите и в операции с другими клетками крови. И. И. Долгушиным выполнены фундаментальные исследования по иммунологии ожоговой и травматической болезней, впервые установлены универсальные закономерности и механизмы развития иммунодефицита после травматических повреждений различного генеза, предложены новые оригинальные подходы к иммунокорригирующей терапии при травме.