1849年9月26日，巴甫洛夫出生于梁赞一个乡村牧师的家庭。

1870年入彼得堡大学学习化学及生理学。1883年获帝国医学科学院医学博上学位。后赴德国师从C·路德维希及R·海登海因。1890至1924年任生理学教授。其研究工作可分为3个阶段：1888年至 1890年研究循环系统生理，探索药物及情绪对血压的影响，阐明左、右迷走神经对心脏活动的影响；后研究消化生理，设计了巴氏小胃等手术方法，可对未麻醉的动物的消化液分泌等功能进行终身观察。1897年出版《消化腺机能讲义》；继而又从唾液腺的精神性兴奋出发，转移到对高级神经活动的研究，创立了条件反射学说，1890年至1930年间研究了大脑皮层及皮层下中枢活动的生理机制、皮层的功能镶嵌式、睡眠、神经症的病因等。证明言语功能为人类所特有，是以语词作为刺激的条件反射。

1930年开始用他的理论解释及治疗精神玻。

1936年2月27日逝世。