Il suit les cours de l'Académie de chirurgie et de médecine et obtient son diplôme en 1879. Il soutient alors sa thèse de doctorat en 1883. En 1890, il est nommé titulaire de la chaire de pharmacologie de l'Académie de médecine militaire de Saint-Petersbourg. Il devient professeur de physiologie puis directeur de l'Institut de médecine expérimentale de Saint-Petersbourg en 1895 jusqu'à sa mort en 1936. Il est enterré au cimetière Volkovo à Saint-Petersbourg.

Dès les années trente, ses travaux ont mis l'accent sur le coté "réflexes" de certains comportements animaux et par contrecoup, du comportement humain. Si on associe un bruit de sonnette à la présentation d'une pâtée, le chien "apprendra" à saliver à chaque coup de sonnette.

Pavlov, grâce à ses recherches novatrices sur le conditionnement, est considéré comme l'un des fondateurs de la psychologie soviétique moderne.