И. И. Пелевина занимается исследованиями механизмов отдалённых последствий радиационных воздействий и проявлений нестабильности генома в потомках облучённых клеток, механизмов адаптивной реакции клеток на излучение и биологического действия малых доз радиации, изучает возможности повышения эффективности лучевой терапии злокачественных новообразований человека и животных путём сочетанного воздействия излучений модификаторов на популяции наиболее резистентных клеток опухолей (клеток в состоянии покоя и гипоксии).