Pavlov, první syn kněze a vnuk sexton, strávil své mládí v Ryazan v centrálním Rusku. Tam navštěvoval církevní školu a teologický seminář, kde ho jeho učitelé semináře ohromili svou oddaností k předávání znalostí. V roce 1870 opustil svá teologická studia, aby vstoupil na univerzitu v Petrohradě, kde studoval chemii a fyziologii. Po obdržení M. D. na Císařské lékařské akademii v St., Petersburg (maturuje v roce 1879 a dokončení jeho disertační práci v roce 1883), studoval během 1884-86 v Německu pod vedením kardiovaskulární fyziolog Carl Ludwig (v Lipsku) a gastrointestinální fyziolog Rudolf Heidenhain (ve Vratislavi).
po spolupráci s Ludwigem byl Pavlovův první nezávislý výzkum fyziologie oběhového systému. Od roku 1888 do roku 1890 v laboratoři Botkin v Petrohradě zkoumal fyziologii srdce a regulaci krevního tlaku.,
stal se tak zručný chirurg, aby byl schopen zavést katétr do stehenní tepny psa, téměř bezbolestně, bez anestezie a zaznamenat vliv na krevní tlak z různých farmakologických a emocionální podněty. Pečlivým pitva v pořádku srdeční nervy, on byl schopen prokázat, ovládací síla srdce o nervy opouští srdeční plexus; tím, že stimuluje konců nervu krční nervy, ukázal účinky pravé a levé vagové nervy na srdce.,
Pavlov se oženil s pedagogickým studentem v roce 1881, přítelem autora Fyodora Dostojevského, ale byl tak ochuzený, že nejprve museli žít odděleně. Velkou část svého případného úspěchu přisoudil své ženě, domácí, náboženský, a literární žena, která zasvětila svůj život jeho pohodlí a práci. V roce 1890 se stal profesorem fyziologie na Císařské lékařské akademii, kde zůstal až do své rezignace v roce 1924., Na nově založený Ústav Experimentální Medicíny zahájil přesné chirurgické zákroky na zvířatech, s přísnou pozornost jejich pooperační péče a zařízení pro udržování jejich zdraví.
zejména v letech 1890-1900 a v menší míře až do roku 1930 studoval Pavlov sekreční aktivitu trávení. Při práci s Heidenhain, on vymyslel operaci připravit miniaturní žaludek, nebo pouzdro; izoloval žaludku z požití potravin, při zachování jeho nervu vagu dodávky., Chirurgický zákrok mu umožnil studovat gastrointestinální sekrety u normálního zvířete po celou dobu jeho života. Tato práce vyvrcholila jeho knižními přednáškami o práci trávicích žláz v roce 1897.
