Родился в Рязани в семье священнослужителей. Окончив рязанское духовное училище, Павлов поступил в Рязанскую духовную семинарию. Позже учился на естественном отделении физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета.

В 1869 году ушел из семинарии и поступил сначала на юридический факультет, а затем перевелся на естественное отделение физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета. Здесь, под влиянием известного русского физиолога профессора И.Ф. Циона, он навсегда связал свою жизнь с физиологией. После окончания университета Павлов решил пополнить свои знания по физиологии, в частности по физиологии и патологии человека. С этой целью в 1874 году он поступил в Медико-хирургическую академию. Блестяще окончив её, Павлов получил двухгодичную заграничную командировку. По приезде из-за границы он целиком отдал себя науке.

Все работы по физиологии, проведённые И.П. Павловым на протяжении почти 65 лет, в основном группируются около трёх разделов физиологии: физиологии кровообращения, физиологии пищеварения и физиологии мозга. Павлов ввел в практику хронический эксперимент, позволяющий изучать деятельность практически здорового организма. С помощью разработанного метода условных рефлексов он установил, что в основе психической деятельности лежат физиологические процессы, происходящие в коре головного мозга. Исследования Павлова физиологии высшей нервной деятельности оказали большое влияние на развитие физиологии, психологии и педагогики.

В 1936 году именем Павлова назван Санкт-Петербургский государственный медицинский университет.

Сто лет одной традиции : почетные доктора в истории СПбГМУ им. академика И. П. Павлова. - Санкт-Петербург : Издательство Санкт-Петербургского ГМУ, 2007.