他出生於俄羅斯地方城市梁贊，父親彼得·德米特里耶維奇·巴甫洛夫為東正教神父，母親為瓦爾瓦拉·伊凡諾芙娜·巴甫洛娃。家中重視嚴謹的學習與教會學校教育，塑造了他早年的自律與對書籍的熱愛。

他開始在教會體系內接受正式訓練，學習修辭、語言與嚴格作息等教士教育的典型內容。這段經驗磨練了他的工作倫理，同時也在心中悄然滋長對純粹神學解釋的疑問。

在神學院期間，他廣泛閱讀課程之外的書籍，包括改革年代流通的俄羅斯文學與科學著作。新思想的接觸逐步把他引向經驗性的探究，並使他遠離成為神職人員的道路。

他離開神學院的軌道，進入聖彼得堡大學，在快速現代化的時代專注於自然科學。城市裡的實驗室與公開講座讓他接觸到實驗方法與生理學。

他轉向醫學，試圖讓生理學更扎根於臨床現實，在帝國醫學外科學院接受訓練。在那裡他研習解剖與實驗技術，並把測量與可重複驗證視為科學的核心美德。

在競爭激烈的聖彼得堡實驗室中，他以精密儀器研究心血管調節與神經控制。這些研究建立了他以精確著稱的名聲，也為日後的消化研究奠定基礎。

他完成以控制性實驗為基礎的博士論文，更堅定了生理學必須量化的信念。學位為他開啟學術職位與前往歐洲頂尖實驗室進修的機會。

他前往德國的生理學重鎮學習最前沿的方法與實驗室組織。與歐洲研究文化的接觸，使他更強調長期實驗與標準化流程的重要性。

他在實驗醫學研究所成為領軍人物，該所是俄羅斯帝國的菁英研究中心。他組建紀律嚴明的團隊並建立設施，以支持對動物進行多年、極其細緻的研究。

他改良所謂的長期準備技術，使動物能在手術後恢復並被長期觀察，而非在短暫且終止性的急性實驗中完成。這些方法讓胃液與唾液分泌得以在接近正常的條件下被可靠量測。

他在具影響力的著作中綜合多年數據，涵蓋胃液、胰液分泌以及消化的神經調控。此書在歐洲廣為流傳，促使生理學被視為以實驗為根基、可量化的學科。

在科學會議上，他說明動物如何在中性訊號與食物配對後形成穩定的習得反應。這項工作把生理學與行為連結起來，暗示學習也能像器官與腺體一樣以同等嚴謹的方式研究。

他因以系統性實驗闡明消化的生理機制而獲得一九〇四年生理學或醫學獎。此獎帶來國際聲望，也讓他更有籌碼保護研究所、同仁與研究條件。

他的團隊建立標準化程序，使用鈴聲、節拍器與可控餵食來量化學習與抑制。多名助理蒐集長期序列資料，使實驗室宛如行為生理學的資料工廠。

革命動盪與物資短缺之下，他竭力維持研究所的動物、設備與人員。即使政治局勢混亂，他仍堅持科學自主，並在嚴重匱乏的條件中持續推進實驗。

他批評官僚干預並捍衛研究的獨立性，同時也接受國家對研究所的支持。蘇維埃政府重視他的聲望，常為留住他而容忍其直言不諱。

他發表廣為閱讀的綜合性著作，以生理學架構解釋條件反射、抑制與皮質過程。此書把學習視為可測量且受法則支配的現象，深刻影響心理學、教育與精神醫學。

晚年他在國際集會上備受禮遇，象徵嚴謹實驗與科學韌性。同僚與學生強調，他的實驗室紀律如何影響現代神經科學與行為研究。

他在列寧格勒逝世，直到八十多歲仍保持科學活動，留下龐大的學生群與標準化方法體系。他關於條件反射的思想持續影響全球的心理學與神經生理學。