Иван Петрович родился в 1849 году, 26 сентября, в Рязани. Это был первый ребенок из десяти, родившихся в семье Павловых.

Мать Варвара Ивановна (девичья фамилия Успенская) воспитывалась в семье священнослужителей. Она не была образована, но природа наделила ее умом, практичностью и трудолюбием.
Петр Дмитриевич, отец Ивана, был священником крестьянского происхождения. Детей приучали к порядку, точности, аккуратности во всем. «Делу — время, потехе — час» — любил говорить Петр Дмитриевич. Отец был для Ивана примером упорства в достижении целей и стремления к совершенству.
В раннем детстве Иван редко болел, рос веселым и крепким мальчишкой, играл с детьми и помогал родителям по хозяйству. Отец и мать привили детям привычку трудиться, поддерживать порядок в доме, соблюдать аккуратность.
Грамоте мальчика обучали с восьмилетнего возраста, но в школу он пошел в 11. Причиной тому стал сильный ушиб, полученный при падении с лестницы. На поправку дело пошло тогда, когда измученного болезнью ребенка увезли в Троицкий монастырь. Здоровье и жизненные силы удалось вернуть, благодаря гимнастическим упражнениям, хорошей еде и чистому воздуху.
Решение о поступлении в духовную семинарию в 1864 г. принято Иваном под влиянием духовного наставника и родителей. Здесь он изучает естественные науки и другие интересные предметы. Активно участвует в дискуссиях. В семинарии Иван становится лучшим учеником и дополнительно занимается репетиторством.
Со временем его предпочтения концентрируются на естествознании. В этом большую роль сыграло знакомство с монографией И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга». Приходит осознание того, что карьера священнослужителя ему не интересна.
В 1870 году он поступил в Императорский Санкт-Петербургский университет на естественное отделение физико-математического факультета, избрав своей главной специальностью физиологию животных, а добавочной — химию. Здесь, под влиянием профессора И. Ф. Циона — известного русского физиолога, он навсегда связал свою жизнь с физиологией.
Первое научное исследование И.П. Павлова «О нервах, заведующих работой в поджелудочной железе», проведенное совместно со студентом М. Афанасьевым, было удостоено золотой медали университета (1875).
В 1875 году Павлов окончил университет в звании кандидата естественных наук.
Цион предложил ему стать своим ассистентом на кафедре физиологии Медико-хирургической академии (с 1881 – Военно-медицинская академия, ВМА). Он же убедил ассистента получить еще и медицинское образование). В том же году Павлов поступил в МХА на третий курс и получил диплом лекаря в 1879.
После ухода Циона из академии Павлов отказался от должности ассистента при кафедре физиологии, предложенной ему новым руководителем кафедры И.Р.Тархановым. Он решил остаться в МХА лишь в качестве студента. Позже он стал ассистентом профессора К.Н.Устимовича на кафедре физиологии ветеринарного отделения Медико-хирургической академии, где проделал ряд работ по физиологии кровообращения.
В 1878 знаменитый русский клиницист Боткин пригласил Павлова работать к себе в клинику (здесь он работал до 1890, проводя исследования центробежных нервов сердца и работая над докторской диссертацией, с 1886 – руководитель клиники).
В 1890 году Павлов был избран профессором и заведующим кафедрой фармакологии Военно-хирургической академии. С 1891 года он заведовал физиологическим отделом Института экспериментальной медицины, организованного при его деятельном участии; с 1895 по 1925 год одновременно оставался руководителем физиологических исследований в Военно-медицинской академии.
В Институте экспериментальной медицины были выполнены классические работы Павлова по физиологии главных пищеварительных желез, а также значительная часть его работ по условным рефлексам, обессмертивших имя Павлова и прославивших отечественную науку.
В 1901 году Павлов был избран членом-корреспондентом, а в 1907 году – действительным членом Академии наук. В начале конце XIX – начале XX века Павлов был избран членом академий ряда стран и почетным доктором многих университетов.
В годы Гражданской войны он отклонил предложение Королевской шведской академии наук о переезде в Стокгольм, несмотря на то, что ему был обещан собственный институт в пригороде скандинавской столицы.
В 1921 году Владимир Ленин издал постановление, в котором отметил «исключительные научные заслуги академика Павлова, имеющие огромное значение для трудящихся всего мира», а специальной комиссии поручалось «в кратчайший срок создать наиболее благоприятные условия для обеспечения научной работы академика Павлова и его сотрудников».
В 1925 году физиологическая лаборатория Академии наук была реорганизована в Физиологический институт Академии наук СССР (ныне носящий имя Павлова). Прославленный ученый руководил этим институтом со дня его основания и до конца своих дней.
Павлов разработал 12 блестящих методик по изучению органов пищеварения, он изучал работу поджелудочной железы, печени, желудка, кишечника, слюнных желез. В каждом опыте он использовал метод наложения фистул.
Особенностью методики Павлова было то, что он видел связь между физиологией и психическими процессами. Работы о механизмах пищеварения стали отправной точкой для развития нового направления в науке. Ему принадлежит создание методики условных рефлексов. Эксперимент, названный «собака Павлова», состоял в изучении рефлексов животного на воздействия извне. В ходе него после сигнала метрономом собаке выдавалась еда. После сеансов у собаки начиналась выделяться слюна без еды. Так ученый выводит понятия рефлекса, формирующегося на основе опыта.
В 1904 году И. П. Павлов был представлен в Нобелевском комитете четырьмя номинациями. В октябре 1904 года профессорским советом Каролинского медико-хирургического института (Швеция) И.П. Павлову присуждена была Нобелевская премия по физиологии и медицине, первому из русских ученых и первому из физиологов мира. Формула присуждения звучала следующим образом: «В знак признания его работ по пищеварению, каковыми работами он в существенных частях пересоздал и расширил сведения в этой области».
12 декабря ученому вручили золотую медаль, диплом и чек на сумму 75000 российских золотых рублей (200000 шведских крон).
К этому времени Иван Петрович был избран почетным членом четырех Академий мира: Парижской, Римской, Лондонской и Брюссельской.
Вручал Павлову эту высокую награду сам король Швеции и, дабы уважить прибывшего из России ученого, произнес на русском языке специально выученное приветствие: «Как Ваше здоровье, Иван Петрович?».
На рубеже 20 века Павлов начинает создавать новый раздел в физиологии — физиологию высшей нервной деятельности. Ему удалось на основе применения универсального метода естествознания — эксперимента — приступить к изучению высшей нервной деятельности — психики. Лучшим путем познания механизма и законов субъективного мира — психики — ученый считал изучение физиологии больших полушарий головного мозга.
22 февраля 1936 года во время очередной поездки в Колтуши для работы в своем научном городке, Павлов простудился и заболел воспалением легких. Несколько дней ход его болезни не вызывал особой тревоги, однако к вечеру 26 февраля состояние ученого ухудшилось: врачи констатировали дальнейшее распространение пневмонии, падение температуры, ослабление сердечной деятельности. 27 февраля Павлова не стало. Его могила находится на Волковском кладбище.