Ivan Petrovich Pavlov est né le 26 septembre 1849 à Riazan, au sud de Moscou, il entre à l'âge de onze ans au séminaire, pour devenir pope comme son père, qu'il quitte dix ans plus tard. Il s'oriente vers les sciences naturelles à l'âge de vingt-deux ans puis vers l'université de Saint-Pétersbourg. Il fréquenta alors l'Académie de chirurgie et de médecine où il se spécialise en physiologie animale, et où il obtient son diplôme de médecin en 1879. 
Puis, ayant entamé des recherches sur la physiologie de la circulation sanguine (en particulier, sur les nerfs qui partent du cœur), Pavlov soutint sa thèse de doctorat en 1883. Par la suite, deux années passées en Allemagne en tant que lecteur en physiologie lui permirent d'approfondir ses connaissances auprès d'éminents spécialistes.
En 1890, il est nommé titulaire de la chaire de pharmacologie de l'Académie de médecine militaire (anciennement Académie de Chirurgie et de Médecine) de Saint-Pétersbourg, Pavlov y enseigna de 1890 à 1895 ; après quoi, il devint professeur de physiologie et fut promu directeur du département de physiologie de l'Institut de médecine expérimentale de Saint-Pétersbourg en 1895. Il occupa cette dernière chaire pendant près de trente ans, et resta directeur du département jusqu'à sa mort.
Après la révolution russe, un décret de Lénine daté de 1921 autorisa Pavlov à continuer ses recherches dans un laboratoire créé à cet effet par le gouvernement soviétique, la station biologique de Koltouchi.
Pavlov est connu pour son travail sur les régulations nerveuses de la physiologie du cœur et du système digestif. Son objectif principal était de mettre en évidence un phénomène psychique dont les bases seraient uniquement physiologiques.
Travaux sur la fonction gastrique du chien
À partir de 1889, il entama les travaux qui le rendirent célèbres, l'étude expérimentale de l'activité des glandes digestives du chien.
Il démontra alors que la sécrétion de salive et des sucs gastriques peut être déclenchée par le contact direct avec de la nourriture, par la vue de celle-ci, mais aussi par des stimuli externes liés à l'heure du repas. Par exemple, si l'on présente sa nourriture au chien en même temps que retentit une sonnerie, on constate que, au bout d'un certain temps, la seule sonnerie déclenche le processus de salivation.
Réflexes conditionnels
Pavlov démontra ainsi qu'outre le réflexe non conditionné (salivation "normale" devant la nourriture), il est possible de déclencher, par un processus d'apprentissage - ou conditionnement -, un réflexe conditionné (salivation liée au stimulus). Il étendit ensuite ses découvertes à l'Homme. Ainsi, pour lui, le réflexe conditionné correspond à ce que l'on appelle couramment "discipline, éducation, habitude" et toutes les activités psychiques, si complexes soient-elles, ne sont que la résultante de processus physiologiques de type réflexes.
Ces travaux expérimentaux, réalisés au cours des années 1890 à 1900, ne furent connus des scientifiques occidentaux que par des traductions isolées et ce n'est qu'en 1927 qu'ils furent tous traduits en anglais.
Pavlov, grâce à ses recherches novatrices sur le conditionnement, est considéré comme l'un des fondateurs de la psychologie soviétique moderne. En dehors de l'URSS, ses travaux influencèrent, au début du XXe siècle, le développement des théories psychologistes béhavioristes à orientation physiologique. En définissant la nature et le fonctionnement des réflexes conditionnels, il est aussi à l'origine de nombreuses recherches sur les processus d'apprentissage. En 1904 il fut le premier Russe à recevoir le prix Nobel et exposa en russe ses travaux.
La Révolution russe fut pour lui un moment pénible, particulièrement les années 1919-1920 où il vécut dans la misère.
Après sa première visite aux États-Unis en 1923 (la deuxième eut lieu en 1929), il dénonça publiquement le communisme, déclarant que le marxisme reposait sur des bases fausses, ajoutant même : "Pour le genre d'expérience sociale que vous faites, je ne sacrifierais pas les pattes arrières d'une grenouille!".
En 1924, quand les fils de prêtres furent expulsés de l'Académie Médicale Militaire (ancienne Académie Médicale Impériale) de Léningrad il démissionna de sa chaire de physiologie en déclarant, "Moi aussi, je suis fils de prêtre et si vous expulsez les autres je m'en irai aussi!". Après l'assassinat de Sergueï Kirov en 1934, il écrivit à Molotov plusieurs lettres où il condamnait les persécutions de masse qui avaient suivi et demandait qu'on reconsidérât le cas de plusieurs personnes qu'il connaissait personnellement.
Ses principaux écrits sont Vingt Ans d'expérience dans le domaine de l'activité nerveuse supérieure des animaux (1922) et le Réflexe conditionné (1926).
Ivan Petrovtch Pavlov est mort le 27 février 1936 à Saint-Petersbourg. Il est enterré au cimetière Volkovo de Saint-Pétersbourg.
La recherche de Pavlov sur les réflexes conditionnels ont eu une grande influence non seulement sur la science, mais également sur la culture populaire.
L'usage du russe, langue peu connue à l'époque de son prix Nobel provoqua un fameux contresens ; c'est ainsi qu'on parle encore de "réflexes conditionnés" alors que "réflexes conditionnels" est plus exact.