Fenerbahçe altyapısında çalıştıktan sonra ilk teknik direktörlük deneyimini Kardemir Karabükspor'u çalıştırarak yaptı. Daha sonra Sivasspor'un başına geçti ve Yiğidoları sezon sonu takımı 1. Lig şampiyonu yapıp tarihinde ilk kez Süper Lig'e çıkardı. İsmail Kartal, 2006-2007 sezonunda Mardinspor'un başında başlamış, sezon ortasında görevinden ayrılarak Malatyaspor'un başına geçmiştir. Ardından Malatyaspor'u bırakıp FB TV'de yorumculuğa başlamıştır. 2007-2008 sezonunun 18.haftasının ardından Orduspor'un başına geçti. 2008-2009 Konya Şekerspor teknik direktörlüğünü yapmıştır. 2010-2014 sezonları arasında Fenerbahçe'de yardımcı antrenör olarak görev yaptı. 2014-2015 sezonu başında, teknik direktörlüğe getirildi. Fenerbahçe'deki teknik direktörlük kariyerinde ilk derbi galibiyetini 8. haftada deplasmanda oynandığı Beşiktaş maçını 2-0'lık skorla elde etmiştir. 11 Ekim 2015 tarihinde Süper Lig ekiplerinden Eskişehirspor ile anlaşmıştır. 12 Kasım 2015 tarihinde Eskişehirspor'daki görevinden istifa etti 2017-18 sezonu başında Ankaragücü ile anlaşan Kartal sezon sonunda ligi ikinci bitirerek 6 sezon aradan sonra takımı Süper Lig'e çıkartma başarısını gösterdi. 2023-24 sezonunda, üçüncü kez Fenerbahçe'nin teknik direktörlüğünü yaptı. Kartal yönetiminde takım, sezonu ligde ikinci sırada tamamladı. Sezon sonunda ise görevine son verildi.