1849年9月26日，巴甫洛夫出生在俄国的梁赞。他的父亲是一位牧师，他起初接受的教育也是为了继承父业做一名好牧师。可是，当他读了达尔文的《物种起源》这本书之后，就立志走上了献身自然科学的道路。
1870年，巴甫洛夫还没有在神学院毕业，就转进了彼得堡大学。他先学习物理和数学，然后又改学生理学。大学毕业后，他在医学院一边当助教，一边学习医学课程。这一段学习生活对巴甫洛夫来说十分重要，因为他不仅积累了广博的知识，还学会了使用手术刀。1884年到1886年，他又到德国进修了两年。
回到医学院后，他开始研究消化生理，探索出控制消化腺分泌，特别是胃液分泌的神经机制。1889年，他进行了一项著名的实验：在一只狗的脖子上开了一个口子，把食管切断。然后，把这两个断头接到皮肤外头来。这样，食管被切断后，给狗喂食物时，食物不会进到胃里，而是从切口处掉到了外面。通过这个实验发现，食物虽然不能到达胃里，可是胃液还是分泌了出来。这个实验告诉人们：胃液的分泌不是食物刺激的结果，而是食物刺激了口中的味觉神经，味觉神经将信号传达到了大脑，大脑控制着胃液的分泌。
由于巴甫洛夫的这项研究揭示了消化生理的详细情况，因而获得了1904年的诺贝尔医学与生理学奖。
这时候，巴甫洛夫又把他的研究兴趣转移到了大脑上。
食物刺激口中的神经导致胃中的一系列反应，也被称为无条件反射。这就像灰尘落进眼睛里，人就会眨眼一样，是与生俱来的反射，不需要任何训练就会产生，动物和人都是这样。
可是，巴甫洛夫进行了这样一项实验：
在给狗喂食之前，打开电灯。你可以想象，狗是不会流唾液的。可是，在打开灯以后，紧接着给狗喂食，它的唾液就流了出来。
以后，凡是给狗喂食，就打开电灯，也就是让灯光和食物总是同时出现。这样重复多次以后，只要灯光一亮，即使没有食物，狗也会流出口水来。狗已经把灯光同食物的出现联系了起来，所以，对灯光像对食物一样起反应，这就是条件反射。
巴甫洛夫经过深入细致的研究，证明了条件反射是高级神经活动的基本形式。他创立了条件反射学说，也就是高级神经学说。他的研究，弄清了许多复杂的问题，对生理学和医学都是巨大的贡献。
巴甫洛夫在86岁时，写下了一份遗嘱。这个遗嘱不是写给他自己子女的，而是把自己的经验和希望留给献身科学事业的青年人。
1936年2月27日，巴甫洛夫与世长辞了。他的一生，正像他在遗嘱中要求青年人去做的那样：
“科学要求人们花费毕生的精力。即使你有两倍的寿命，仍然是不够用的。”
巴甫洛夫所做工作的重要性是不可估量的。他的研究公布以后不久，一些心理学家，如行为主义学派的创始人华生，开始主张一切行为都以经典性条件反射为基础。虽然在美国这一极端的看法后来并不普遍，但在俄国，以经典性条件反射为基础的理论在心理学界曾相当长的时间占统治地位。无论如何，人们一致认为，相当一部分的行为，用经典性条件反射的观点可以作出很好的解释。
