Pavlov s-a nascut in Riazan, Rusia. Si-a inceput studiile superioare ca seminarist, apoi a renuntat si s-a inscris la Universitatea din Petersburg, pentru a studia stiinte naturale. A obtinut titlul de doctor in 1879.
In anii 1890, Pavlov a investigat functia gastrica a cainelui prin externalizarea glandei salivare pentru a putea colecta, masura si analiza saliva produsa ca raspuns la mancare, in conditii diferite. El a observat ca acestia au tendinta de a saliva inainte ca hrana sa ajunga in cavitatea lor bucala, si a inceput investigarea acestei "secretii psihice", cum a numit-o el. A decis ca aceasta este mult mai interesanta decat chimia salivei, si a schimbat scopul cercetarii sale, efectuand o lunga serie de experimente in care a manipulat stimulii care apareau inainte de aducerea hranei. El a stabilit de aici legile fundamentale pentru aparitia si eliminarea a ceea ce el denumea "reflexe conditionale" — adica, raspunsuri reflexe, precum salivarea, care nu apareau decat conditional, ca urmare a unor experiente precedente ale animalului. Aceste experimente au fost efectuate in anii 1890 si 1900, si au fost puse la dispozitia cercetatorilor occidentali prin traducerea unor experiente individuale, dar au devenit disponibile in totalitate in limba engleza printr-o carte publicata in 1927.
Pavlov era obsedat de programul si de obiceiurile sale de munca. Obisnuia sa ia pranzul exact la ora 12, se culca la aceeasi ora in fiecare seara, isi hranea cainele la aceeasi ora in fiecare noapte si pleca din Leningrad in Estonia in vacanta in aceeasi zi in fiecare an. Acest comportament s-a schimbat cand fiul sau Victor a murit in Armata alba — dupa aceea a suferit de insomnie.
Spre deosebire de multi oameni de stiinta pre-revolutionari, Pavlov a fost respectat de guvernul sovietic, si i s-a permis sa isi continue cercetarile pana la o varsta inaintata. Pavlov insusi nu avea o atitudine favorabila fata de marxism, dar ca laureat al Premiului Nobel era vazut ca un atu politic important, si era puternic sustinut. Dupa asasinarea lui Serghei Kirov in 1934, Pavlov a scris mai multe scrisori lui Molotov, criticand persecutiile in masa care au urmat, si cerand rejudecarea unor cazuri ale unor oameni pe care ii cunostea personal. Mai tarziu in viata a fost in special interesat de folosirea conditionarii pentru a stabili un model experimental asupra inductiei nevrozei. A murit la Leningrad. Laboratorul sau din Sankt Petersburg a fost pastrat pana astazi.
In mod interesant, termenul lui Pavlov de reflex conditional ("ycnobhbn peonekc") a fost tradus gresit din limba rusa ca reflex conditionat, iar alti oameni de stiinta care au citit lucrarile sale au ajuns la concluzia ca daca astfel de reflexe ar fi fost conditionate, ar fi trebuit sa fie produse printr-un proces denumit conditionare. Dupa ce munca lui Pavlov a devenit cunoscuta in vest, in special datorita scrierilor lui John B. Watson, ideea de conditionare ca o forma automata de invatare a devenit un concept cheie in psihologia comparata, si la referinta generala la psihologie, behaviorismul. Bertrand Russell a fost un avocat entuziast al importantei lucrarilor lui Pavlov pentru filosofia mintii.
Cercetarile lui Pavlov asupra reflexelor conditionale au influentat puternic nu doar stiinta, dar si cultura de zi cu zi. Termenul "cainele lui Pavlov" este adesea utilizat pentru a descrie o persoana care doar reactioneaza la o anumita situatie, in loc sa foloseasca gandirea critica. Conditionarea pavloviana a fost tema principala a romanului lui Aldous Huxley, Brave New World.
Se crede de obicei ca Pavlov anunta aducerea hranei printr-un clopotel, insa notitele sale arata utilizarea unui numar mare de stimuli auditivi, incluzand fluiere, metronoame, impreuna cu stimuli vizuali. In anii 1990, cand savantii occidentali au avut acces la laboratorul lui Pavlov, nu s-a gasit niciunul din aceste obiecte.