Mr Cameron missade den veckovisa premiärministerns frågor att flyga för att vara med sin far på sjukhus.
Downing Street sa att hans far dog strax efter att statsministern anlände till sjukhuset i södra Frankrike.
Han berättade för ITV i mars att hans far var en "huge hjältefigur för mig" som hade en stor känsla av optimism.
Man förstår att premiärministern kommer att stanna kvar i Frankrike över en natt.
Cameron fick veta på onsdag morgon hans far var allvarligt sjuk efter att ha drabbats av en stroke och hjärtkomplikationer. Efter att ha talat med läkare på sjukhuset beslöt statsministern att flyga för att vara med sin far och mor Mary.
Downing Street sa att den franske presidenten Nicolas Sarkozy hade ordnat en helikopter för att ta Mr Cameron till sjukhuset så att han kunde träffa sin far.
Källor berättade för Pressföreningen att han var "otroligt tacksam" eftersom han kanske inte annars hade kunnat komma dit i tid och var "uppnåelig" att ha varit vid sin säng.
Från Ross HawkinsPolitisk korrespondent, BBC News
För David Cameron var hans far en hjälte, en man som aldrig klagade över sitt handikapp och en viktig inspiration bakom temat "Big Society" som kännetecknade den konservativa valkampanjen.
I en tidningsintervju reflekterade han: "Jag har aldrig riktigt hört honom gnälla om någonting."
Efter valet sade Ian Cameron att han alltid trodde att David hade förmågan att vara premiärminister, men tillade till skillnad från sin son, han var inte en politiker. Han tillbringade sitt yrkesliv som börsmäklare och satt i församlings- och kyrkoråd.
David Cameron sade att hans far och mor - som arbetade som domare - "sörjde sin offentliga tjänst så lätt".
David Cameron sa att han nästan gav upp politiken efter att hans sexårige son Ivan dog förra året. Förra veckan tog Cameron med sig sin nyfödda dotter Florence hem till Downing Street. Ian Cameron såg inte sin farfar innan han dog.
Nick Robinson: Smärtsamma tider
Vice premiärminister Nick Clegg, som stod i för Mr Cameron vid den första PMQ efter sommaruppehållet, skickade sina tankar och kondoleanser till Mr Camerons familj och sade att han var glad att statsministern var "kan vara vid sin fars sida i slutet".
Kansler George Osborne sade till BBC: "Det är en mycket svår dag för David Cameron och hans familj.
"Jag vet att David var mycket, mycket nära sin far, och hans far har inte varit bra under de senaste åren, men han har alltid varit en riktigt stark närvaro jag vet i Davids liv, och jag är säker på att han kommer att saknas av David och saknad av alla oss som kände honom."
BBC:s politiska korrespondent Laura Kuenssberg sade att Cameron ofta hade talat om det nära bandet mellan honom och hans föräldrar, som bodde i Pesemore i Berkshire.
Ian Cameron, 77, föddes med båda benen deformerade, och uthärdade upprepade operationer i ett försök att räta ut dem och lindra hans smärta.
Trots sitt handikapp skapade han en framgångsrik karriär som börsmäklare och är tidigare direktör för fastighetsmäklaren John D Wood.
Premiärministern sade före det allmänna valet att hans far var en "halvfull" person med en "sens av optimism".
Han sade till ITV 1:s Trevor McDonald: " Min far är en stor hjältefigur för mig, eftersom han är en otroligt modig man....
"Att ha ett handikapp på 1930- och 1940-talen, en annan ålder, var verkligen svårt, men han lät det aldrig påverka honom på något sätt."
Giles Andreae, en vän till mr Cameron, sade till BBC: " David älskade sin far och sin mor. Jag tror att de båda har ett verkligt seminellt inflytande på den man han är nu och i sin politik faktiskt."
Mr Camerons fru Samantha födde sitt fjärde barn, Florens, förra månaden.
Parets första barn Ivan, som föddes djupt handikappad och behövde vård dygnet runt, dog i februari 2009.
Mr Camerons biograf James Hanning berättade för BBC familjen var "mycket viktigt" för premiärministern: "De är en mycket stark familj men de har gått igenom det."
Labour leadership utmanaren David Miliband sade att han var "mycket ledsen" att höra nyheten: "Mina tankar är med David och hans familj." En talesman för Gordon Brown sade att den tidigare premiärministern hade skrivit till Cameron för att uttrycka sitt deltagande.
Premiärminister David Camerons far Ian har dött efter en stroke och hjärtkomplikationer under semestern i Frankrike.