Er wurde als Sohn von Pjotr Dmitrijewitsch Pawlow, einem orthodoxen Priester, und Warwara Iwanowna Pawlowa im provinziellen Rjasan geboren. Im Haushalt galten strenges Lernen und kirchliche Schulbildung als hohe Werte, was seine frühe Disziplin und seine Liebe zu Büchern prägte.

Er begann eine formale Ausbildung in kirchlichen Einrichtungen und lernte Rhetorik, Sprachen sowie die strengen Tagesabläufe einer geistlichen Erziehung. Die Erfahrung schärfte seinen Arbeitsethos, während zugleich leise Zweifel an rein theologischen Erklärungen wuchsen.

Im Seminar las er weit über den Lehrplan hinaus, darunter russische literarische und naturwissenschaftliche Schriften, die im Russland der Reformzeit kursierten. Der Kontakt mit neuen Ideen zog ihn allmählich zur empirischen Forschung hin und von einer priesterlichen Laufbahn weg.

Er verließ den Weg des Seminars und trat in die Universität Sankt Petersburg ein, wo er sich in einer Phase schneller Modernisierung auf Naturwissenschaften konzentrierte. Die Labore der Stadt und öffentliche Vorträge machten ihn mit experimentellen Methoden und der Physiologie vertraut.

Pawlow wandte sich der Medizin zu, um die Physiologie stärker in der klinischen Realität zu verankern. Dort wurde er in Anatomie und Labortechnik ausgebildet und lernte, Messbarkeit und Reproduzierbarkeit als wissenschaftliche Tugenden zu behandeln.

In den konkurrenzstarken Laboren Sankt Petersburgs untersuchte er mit sorgfältiger Instrumentierung die Regulation des Herz-Kreislauf-Systems und die neuronale Kontrolle. Diese Arbeiten begründeten seinen Ruf für Präzision und bereiteten seine spätere Verdauungsforschung vor.

Er schloss eine Dissertation ab, die auf kontrollierten Experimenten beruhte, und festigte damit seine Überzeugung, dass Physiologie quantifizierbar sein müsse. Der Abschluss öffnete den Weg zu akademischen Positionen und zu internationalen Ausbildungsaufenthalten in Europas führenden Laboren.

Er reiste in deutsche Zentren der Physiologie, um modernste Methoden und Labororganisation kennenzulernen. Die Begegnungen mit der europäischen Forschungskultur stärkten seinen Anspruch auf langfristige Experimente und standardisierte Protokolle.

Pawlow wurde eine führende Persönlichkeit am Institut für Experimentelle Medizin, einem elitären Forschungszentrum im Russischen Kaiserreich. Er stellte ein diszipliniertes Team zusammen und schuf Anlagen für akribische, jahrelange Tierstudien.

Er verfeinerte „chronische“ Präparationen, sodass Tiere sich erholen und über lange Zeiträume beobachtet werden konnten, statt nur in akuten, tödlichen Versuchen. Diese Methoden ermöglichten verlässliche Messungen von Magen- und Speichelsekretionen unter nahezu normalen Bedingungen.

Sein einflussreiches Buch bündelte jahrelange Daten zu Magensäften, Pankreassekretionen und der nervalen Regulation der Verdauung. Es fand in Europa breite Verbreitung und half, die Physiologie als experimentell fundierte, quantitative Disziplin zu etablieren.

Auf wissenschaftlichen Tagungen schilderte er, wie Tiere stabile erlernte Reaktionen auf neutrale Signale entwickeln können, wenn diese wiederholt mit Futter gekoppelt werden. Die Arbeit verband Physiologie mit Verhalten und deutete an, dass Lernen mit derselben Strenge untersucht werden kann wie Organe und Drüsen.

Er erhielt den Nobelpreis 1904 für die Aufklärung der Physiologie der Verdauung durch systematische Experimente. Die Auszeichnung brachte der russischen Wissenschaft internationales Ansehen und gab ihm größere Möglichkeiten, Institut und Mitarbeitende zu schützen.

Sein Team entwickelte standardisierte Protokolle mit Glocken, Metronomen und kontrollierter Fütterung, um Lernen und Hemmung quantitativ zu erfassen. Dutzende Assistenten sammelten lange Zeitreihen, wodurch das Labor zu einer Produktionsstätte der Verhaltensphysiologie wurde.

Während revolutionärer Unruhen und Versorgungsengpässen kämpfte er darum, Tiere, Geräte und Personal im Institut zu erhalten. Trotz politischer Turbulenzen bestand er auf wissenschaftlicher Autonomie und führte Experimente unter extremen materiellen Einschränkungen fort.

Er kritisierte bürokratische Einmischung und verteidigte die Unabhängigkeit der Forschung, obwohl sein Institut staatliche Unterstützung erhielt. Die sowjetische Regierung, die seinen Ruf schätzte, tolerierte seine Deutlichkeit häufig, um ihn im Land zu halten.

Er publizierte eine weithin gelesene Synthese, die konditionierte Reflexe, Hemmung und kortikale Prozesse in einem physiologischen Rahmen erklärte. Das Buch prägte Psychologie, Pädagogik und Psychiatrie, indem es Lernen als messbar und gesetzmäßig darstellte.

Im hohen Alter wurde er auf internationalen Zusammenkünften gefeiert und stand sinnbildlich für strenge Experimentierkunst und wissenschaftliche Beharrlichkeit. Kolleginnen, Kollegen und Schüler betonten, wie seine Labordisziplin die moderne Neurowissenschaft und Verhaltensforschung beeinflusste.

Er starb in Leningrad, nachdem er bis in seine achtziger Jahre wissenschaftlich aktiv geblieben war, und hinterließ eine große Schülerschaft sowie standardisierte Methoden. Seine Ideen zu konditionierten Reflexen beeinflussten Psychologie und Neurophysiologie weltweit weiter.