Родился 17 апреля 1918 года в селе Южаково ныне Троицкого района Алтайского края в семье крестьянина. Окончил 7 классов средней школы, 3 курса Бийского лесотехнического техникума и аэроклуб. В РККА с 3 августа 1940 года. В 1941 году окончил Пермскую военную авиационную школу. Служил инструктором в 12-й военной авиационной школе первоначального обучения Приволжского военного округа.

В действующей армии с 1 января 1942 года. Воевал на Юго-Западном, Сталинградском, Южном, Северо-Кавказском, Ленинградском фронтах и в отдельной Приморской армии. Командир звена 618-го штурмового авиационного полка (Северо-Кавказский фронт) старший лейтенант Самохвалов И.И. в 1943 году на Ил-2 таранил самолёт противника, за что награждён орденом Ленина.

К августу 1944 года капитан Самохвалов И.И. совершил 710 боевых вылетов на штурмовку войск противника (из них 598 на По-2, 112 на Ил-2).

Звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" Иосифу Ивановичу Самохвалову присвоено 26 октября 1944 года.

После войны продолжал службу в ВВС. В 1954 году окончил Военно-воздушную академию. С 26 апреля 1958 года подполковник Самохвалов - в запасе. Работал директором совхоза в городе Зеленограде Ростовской области. 

Умер 8 августа 1981 года. 

Награждён 2 орденами Ленина, 2 орденами Красного Знамени, орденом Александра Невского, 2 орденами Отечественной войны 1 степени, 2 орденами Красной Звезды, медалями.