정교회 사제인 표트르 드미트리예비치 파블로프와 바르바라 이바노브나 파블로바 사이에서 지방 도시 랴잔에서 태어났다. 집안은 엄격한 학업과 교회 교육을 중시했으며, 이는 그의 초기의 규율과 독서 습관을 형성했다.

교회 기관에서의 정규 교육을 시작하며 수사학, 언어, 그리고 성직 교육 특유의 엄격한 생활 규범을 배웠다. 이 경험은 근면함을 단련하는 한편, 순수한 신학적 설명만으로는 충분하지 않다는 의문을 조용히 키우게 했다.

신학교에서 그는 교과 과정 밖의 독서를 폭넓게 이어가며 개혁기의 러시아에서 유통되던 문학과 과학 저작을 접했다. 새로운 사상과 지식은 그를 점차 경험적 탐구로 이끌었고, 성직자의 길에서 멀어지게 했다.

신학교의 진로를 떠나 상트페테르부르크 대학교에 입학해 급속한 근대화 시기에 자연과학을 중심으로 공부했다. 도시의 실험실과 공개 강연은 그에게 실험 방법과 생리학의 세계를 본격적으로 열어 주었다.

파블로프는 생리학을 임상 현실에 더 단단히 연결하기 위해 황립 군의학 아카데미에서 의학 교육으로 방향을 옮겼다. 그곳에서 해부학과 실험 기술을 익히며, 측정과 반복을 과학의 덕목으로 여기는 태도를 체득했다.

경쟁이 치열한 상트페테르부르크의 연구실에서 그는 정교한 장비를 활용해 심혈관 조절과 신경 지배를 연구했다. 이러한 연구는 그의 정밀함에 대한 명성을 쌓아 주었고, 이후 소화 연구로 나아갈 준비를 갖추게 했다.

통제된 실험에 기반한 박사 논문을 완성하며, 생리학은 수량화되어야 한다는 신념을 더욱 굳혔다. 학위는 학계 직위와 유럽의 선도 연구실에서의 연수 기회를 여는 발판이 되었다.

그는 최신 방법과 연구실 운영을 배우기 위해 독일의 생리학 중심지로 떠났다. 유럽의 연구 문화와의 만남은 장기 실험과 표준화된 절차에 대한 그의 고집을 더욱 강화했다.

파블로프는 제정 러시아의 최정예 연구 기관인 실험의학연구소에서 생리학을 이끄는 핵심 인물이 되었다. 그는 규율 있는 연구팀을 꾸리고 동물을 대상으로 수년에 걸친 정밀 연구가 가능하도록 시설을 정비했다.

그는 동물이 수술 후 회복한 뒤 장기간 관찰할 수 있는 만성 준비법을 정교하게 다듬어, 급성 실험에 비해 더 자연스러운 상태에서 연구를 수행했다. 이 방법은 위액과 타액 분비를 정상에 가까운 조건에서 신뢰성 있게 측정하게 해 주었다.

그의 영향력 있는 저서는 위액, 췌장 분비, 그리고 소화의 신경 조절에 관한 수년간의 데이터를 종합했다. 이 책은 유럽 전역에 널리 읽히며 생리학을 실험에 기반한 정량 학문으로 자리매김시키는 데 기여했다.

학술 모임에서 그는 먹이와 함께 제시된 중립 신호에 동물이 안정적인 학습 반응을 형성할 수 있음을 설명했다. 이 연구는 생리학을 행동과 연결하며, 학습 또한 장기와 분비샘처럼 엄격한 방법으로 연구될 수 있음을 시사했다.

그는 체계적 실험을 통해 소화의 생리학을 밝힌 공로로 1904년 노벨 생리의학상을 받았다. 이 상은 러시아 과학의 국제적 위신을 높였고, 연구소와 연구진을 지키는 데 더 큰 영향력을 제공했다.

그의 연구팀은 종, 메트로놈, 통제된 급여 등 표준화된 절차를 구축해 학습과 억제를 정량화했다. 수십 명의 조교가 장기간의 시계열 데이터를 수집하며, 그의 연구실은 행동 생리학을 생산하는 거대한 체계로 변모했다.

혁명기의 혼란과 물자 부족 속에서 그는 연구소의 동물, 장비, 인력을 유지하기 위해 고군분투했다. 정치적 격변에도 불구하고 그는 과학의 자율성을 고수하며 극심한 제약 속에서도 실험을 계속했다.

그는 연구소가 국가 지원을 받는 상황에서도 관료적 간섭을 비판하며 연구의 독립성을 옹호했다. 소련 정부는 그의 국제적 명성을 중시해, 그가 러시아에 남도록 거친 발언을 종종 묵인했다.

그는 조건반사, 억제, 그리고 대뇌 피질 과정들을 생리학적 틀로 설명하는 종합서를 발표했다. 이 책은 학습을 측정 가능하고 법칙을 따르는 현상으로 다루며 심리학, 교육학, 정신의학에 큰 영향을 미쳤다.

말년의 그는 국제 학술 행사에서 엄격한 실험과 과학적 집념의 상징으로 기려졌다. 동료와 제자들은 그의 연구실 규율이 현대 신경과학과 행동 연구의 발전에 어떤 영향을 주었는지 강조했다.

그는 여든을 넘어서도 과학 활동을 이어가다 레닌그라드에서 세상을 떠났으며, 많은 제자들과 표준화된 연구 방법론을 남겼다. 조건반사에 관한 그의 사상은 이후에도 전 세계의 심리학과 신경생리학에 지속적으로 영향을 미쳤다.