Israel Castellanos nació en La Habana. Su abuelo paterno, Antonio Castellanos, era un coolie de China que se había casado con una mexicana. Su patronímico era, por tanto, el de su «amo»: Castellanos dedica parte de su vida a la investigación genealógica para encontrar su verdadero apellido, en vano. Su padre, hojalatero, no podía mantener completamente a sus hijos e Israel tenía que hacer todo tipo de trabajos ocasionales para financiar sus estudios y los de su hermano menor Agustín Walfredo (que más tarde se convertirá en un célebre cardiólogo).

En las «Confidencias» autobiográficas que escribe en 1917 cuenta cómo, en 1908, fue cautivado por los «formidables descubrimientos» de Cesare Lombroso, y decidió estudiar antropología física y criminología. Autodidacta, entre 1911 y 1914, y aunque no tenía título de médico (no lo obtendría hasta 1923), publica cerca de sesenta artículos muy destacados sobre las supuestas características físicas (degenerativas o atávicas) de los delincuentes cubanos y sobre lo que llama «el tipo brujo», descrito tanto desde el punto de vista somático como etnográfico. Diego Tamayo y Figueredo se fija en él y se convierte en su mentor. Publica sus trabajos en la revista Vida Nueva y le permite acceder a asilos, centros de detención de inmigrantes y prisiones para medir, fotografiar y registrar los cuerpos de los internos. Su fama se extiende a España donde su trabajo se publica en la granadina Gaceta Médica del Sur (1914a) y, en 1915, es nombrado profesor correspondiente del Instituto Español Criminológico.

Fernando Ortiz, que sigue interesado en esa época en la antropología criminal y en la dactiloscopia, lo elogia en varias ocasiones y publica sus artículos en la Revista Bimestre Cubana. Los dos hombres permanecerían en contacto durante varias décadas, principalmente por sus respectivas investigaciones sobre huellas dactilares. Ortiz lo inscribiría como miembro honorífico de varias de las sociedades científicas que contribuyera a crear. Castellanos, a su vez, admira profundamente a Ortiz.

El año 1916 es para Castellanos el de su consagración: su compilación de artículos reunidos bajo el título La brujería y el ñañiguismo en Cuba desde el punto de vista médico-legal recibe el premio de la Academia de Ciencias Médicas, Físicas y Naturales de La Habana (la colección, junto con otros artículos, será reeditada en 1936 en la Revista de técnica policial y penitenciaria). Esto le valió el nombramiento como profesor honorario del Instituto de Medicina Legal de Cuba. Al tiempo que finalmente comienza los estudios de medicina en 1917, desarrolla una investigación pionera sobre la identificación odontológica y dactiloscópica, tema en el que se convierte gradualmente en un especialista: en 1921 es nombrado director del Gabinete Nacional de Identificación y publica las Instrucciones técnicas a los funcionarios judiciales y de policía.

Durante la dictadura de Gerardo Machado (1925-1933), colabora en el Departamento de Moralización (organismo de propaganda estatal) y emprende el registro sistemático de los detenidos y dementes. También propone un plan para reformar el sistema penal cubano, participando en la organización del Presidio Modelo, un centro penitenciario en el que se experimentarán técnicas eugenistas que provocarán la muerte de más de 500 reclusos. En 1929, publica un libro en dos volúmenes, La delincuencia femenina en Cuba, que le vale el premio Lombroso; en él aboga por la esterilización sistemática de las prostitutas y otras mujeres delincuentes. Entre los años treinta y cincuenta, publica cerca de mil artículos, compilados y/o reeditados en diversas colecciones, entre ellas Medicina legal y criminología afro-cubanas (1937). Apodado «el mago de la identificación», es invitado por toda América Latina para identificar criminales. Se exilia en las primeras horas de la Revolución de 1959 en Puerto Rico, donde pasa once años, antes de morir en Miami.