ב-1954התגייס בן-שהם לצה"ל, לחטיבת גבעתי. הוא עבר את מסלול הטירונות בחטיבה והמשיך לקורס מפקדי כיתות ומשם לקורס קצינים. שירת כמ"פ בגדוד 51 של חטיבת גולני ועבר בהשפעת מפקדו אברהם מנדלר לחיל השריון. אחרי הכשרת שריון התקדם בתפקידי פיקוד שונים בחיל, ובמסגרתם נשלח להשתלמות בצרפת. במלחמת ששת הימים היה בן-שהם סגן מפקד גדוד 63 (שמו שונה ל-53 אחרי המלחמה) מביסל"ש, שלחם בקרב אום-כתף, תחילה במסגרת צוות גדודי משוריין עצמאי ובהמשך הלחימה במסגרת חטיבה 14. ביום השני ללחימה, כשנפצע המג"ד, נתן ניר, מילא בן-שהם את מקומו. בשנת 1968 הוא מונה למפקד גדוד 53, לאחר מכן מונה לקצין אג"ם אוגדתי ובהמשך - למפקד חטיבה 11.
מלחמת יום הכיפורים
כשלושה חודשים לפני פרוץ מלחמת יום הכיפורים, נתמנה אלוף-משנה יצחק בן-שהם למפקד חטיבה 188 (ברק). החטיבה בפיקודו הייתה פרוסה לאורך הגבול הסורי ברמת הגולן, וחטיבה 7 שימשה עתודה פיקודית. בצוהרי 6 באוקטובר1973 התחילה אש ארטילריה על רמת הגולן. בן-שהם שהה במטה הפיקוד בנפח, קיבל את הפיקוד על הגזרה וניהל את הלחימה בשעות הראשונות למלחמה.
בשעות הערב יצא בן-שהם לשטח על טנק המח"ט. בן-שהם ניסה לבלום את הסורים על ציר הנפט אולם מחשש לכיתורו, הוא קיבל אישור ממפקד האוגדה רפאל איתן לנסוע מערבה דרך בקעת הבטיחה לכיוון הירדן ואז צפונה עד בית המכס ולבסוף להגיע לנפח מכיוון מערב בשעות הבוקר ב-7 באוקטובר. בשלב זה חטיבתו כמעט והושמדה לגמרי, מלבד כוח הסמח"ט על ציר הנפט וכוח בפיקוד סא"ל עודד ארז שהתבצר על תל פארס.
בן-שהם הצטרף לקרבות על ציר הנפט ולקח את הפיקוד על הכוח שמנה 15 טנקים. כוח בן-שהם בלם בהצלחה את טנקי חטיבה 51 הסורית אשר ניסו לנוע צפונה על ציר הנפט לכיוון נפח. כוח טנקים נוסף בפיקוד חיים ברק, מג"ד 82, לחם ממזרח לכוח בן-שהם אולם התקשה לבלום את טנקי הדיוויזיה הראשונה הסורית, ובהמשך נסוג צפונה כשהוא מאפשר לטנקים הסורים להמשיך לכיוון נפח.
בשעות הצהריים הותקף אזור מחנה נפח על ידי כוחות סורים מחטיבה 91 מהדיוויזיה ה-1. בן-שהם, יחד עם הסמח"ט דוד ישראלי, פנה צפונה לנפח יחד עם הכוח שלו. כוח בן-שהם הגיע לנפח והשמיד טנקים סורים שעמדו על גדרות המחנה. במהלך הקרב נהרג בן-שהם מאש מקלעים סורים. יחד איתו נהרג בטנק רס"ן בני קצין, קצין האג"ם של החטיבה. על הקרבות שפיקד אל"ם יצחק בן-שהם על בלימת החטיבות הסוריות בדרום הרמה ועל הקרבות שניהל בעצמו על ציר הנפט ועל מחנה נפח, הוענק לו עיטור העוז.
סמוך למקום נפילתם של בן-שהם ובני קצין הוקמה אנדרטה לזכרם על ידי סא"ל יששכר (ג'קסון) טל. האנדרטה נמצאת על ציר הנפט, כקילומטר מדרום למחנה נפח. שלט האנדרטה מורכב מפלטת בזוקה של טנק שנפגע בקרב.