1849年，巴甫洛夫出生在俄罗斯梁赞城一个贫穷的牧师家庭，父亲是个传教士。他从小在教会学校读书，依照传统习惯，他本应接过父亲的衣钵，当一名牧师。但是，巴甫洛夫抛弃了宗教留给他的前途，1870年，21岁的巴甫洛夫带着一张贫困证明书，进入了彼得堡大学攻读生理学专业。
在大学学习期间，巴甫洛夫实际上就已经开始了对循环生理学、消化生理学和大脑生理学的研究。1875年大学毕业时因学习成绩优秀，获得金质奖章。不久，他转入军医学院继续深造。为了充实自己关于RT生理和病理学的知识，巴甫洛夫到外科医学研究院学习了一年，接着又到国外留学两年。
后来，巴甫洛夫又转到军医学院深造，并在这所学院中度过了40多个年头。期间，巴甫洛夫选择了研究消化系统的生理状况这个课题，开始长时间观察动物体内的消化活动。
因为科学事业是不被当时的政府所关心，所以巴甫洛夫的研究没有得到任何的支持，连家庭生活也陷于极度的贫困之中。
有一次，朋友看到他的日子过得很困难，就凑了一点钱，嘱咐他给自己和孩子们添置几件过冬的棉衣，可他却把钱拿去买了几只狗。在巴甫洛夫看来，狗更重要，因为狗是他进行实验所不可缺少的。他的工资微薄，为了买狗并供给饲料，他常常弄得不剩一文，甚至冬天买不起烤火的劈柴，有时连照明的灯油也买不起。
他的付出是有回报的，在经过长时间的研究之后，他创造了一种观察胃腺活动的新方法，即后来闻名世界的假饲实验。
他首先把狗的食道经过手术切断，把切断的食道两端缝在狗脖子的皮肤上，然后让狗饿上一段时间。然后再在狗面前的食盘里放进鲜肉，狗一见鲜肉，便贪馋地吞了起来，可是它吃进去的肉很快又掉到食盘里。这是因为狗的食道已被切断，肉根本进不了胃里。狗还是津津有味地吃着，可是始终没有把肉送到胃里，盘子里的肉也始终保持不变。
同时，在狗肚子底下，拖着一根细细的橡皮管，这是因为狗的胃也被动了手术，在它里面已经插入一根瘘管通到体外。有趣的现象出现了：当这只狗徒劳地吃了四五分钟后，橡皮管里流出了大量的胃液。因为这只狗的胃是空的，所以这种胃液中没有食物渣滓。狗不停地吃着，胃液一滴一滴不停地流，不久就淌满了一个量筒。
胃液的分泌是狗的第十对脑神经迷走神经的冲动引起的。巴甫洛夫对这只狗的迷走神经也动过手术，已在上面引出一根丝线。现在，只要他稍微提动一下丝线，就切断了大脑与胃之间的联系。结果是尽管狗还是不断地吞咽鲜肉，但胃液却停止分泌了。这就是著名的假饲实验，它可以使人们观察到狗的消化腺的分泌情况。
在此基础上，巴甫洛夫又开始研究高级神经活动，第一次发现了大脑皮层机能的活动规律。
这次的实验是他在给狗放置实物时都会摇铃，经过20~40次这种结合实验，狗只要一听到铃声，即使不给食物，也会出现唾液分泌。
据此，巴甫洛夫又提出了他的神经系统条件反射学说，即狗听见铃声后的唾液分泌，是一种条件性的反应，不管它愿意不愿意，只要它听到铃声就要分泌唾液，就像它看见食物时一样。当然条件反射也能够被解除，若当铃声出现时即给狗以电击，并不给它食物，这样重复多次以后，狗再听到铃声时不但不会分泌唾液，而且会出现畏缩反应。
巴甫洛夫在发现条件反射之后，还立即用条件反射的形成和破坏的客观方法，清楚地观察到了动物高级神经活动的基本规律。通过对人和其他动物高级神经活动的质的区别的对比，得出了辩证唯物主义的基本原理：物质是第一性的，意识是第二性的，意识是大脑的产物。
巴甫洛夫的条件反射学说开辟了高级神经活动生理学的研究领域，引起了生物科学的革命，把生物学研究推进到了一个崭新阶段。1935年，巴甫洛夫以86岁的高龄，主持了在苏联召开的第15届国际生理学大会。在这次大会上，巴甫洛夫被授予全世界生物学界元老的称号。次年2月，这位被人们赞颂为生理学无冕之王的科学家去世。
