巴甫洛夫於1849年9月26日出生於俄羅斯中部梁贊。他從小接受神學教育，後來到彼得堡大學學習生理學。拿到學位後不久，他就出國深造，受到當時最傑出的生理學家的喜愛，並以身作則。回國後，巴甫洛夫進入彼得堡軍醫學院，將全部精力投入到消化方面的研究，取得了突破性的研究成果，因此獲得了1904年諾貝爾生理醫學獎。
由於從小家庭環境的影響，巴甫洛夫不願意當心理學家，甚至對心理學家有壹種仇視心理。禁止任何人在自己的實驗室使用心理學術語，否則“將被毫不留情地槍斃”。然而，就是這樣壹個極度厭惡心理學的人，卻在心理學上有了重大發現——這可能不是他的初衷！
巴甫洛夫在心理學上的名氣是由於他對條件反射的研究。如果要說他的研究機會，就必須提到他的老本行——消化研究。當時正是巴甫洛夫對狗的消化的研究，偶然發現了觀察狗的消化系統工作的方法，將他推進了心理學研究領域。經過反復實驗，他得出了條件反射理論。後來，他的成果被行為主義學派吸收，成為制約行為主義的最根本原則之壹。
接下來，巴甫洛夫將自己的研究完全轉向了神經學研究，但實驗還是用了狗。巴甫洛夫在實驗中發現，狗的反射有些是暫時的，可以成立，有些則不需要條件，從而證明大腦和高級神經活動是由無條件反射和條件反射形成的。在此基礎上，他還指出，人與動物的神經區別在於:除了外界的直接影響外，人類還有第二信號系統——語言，它引起人類高級神經活動的巨大變化。這也是人類思維的獨特生理基礎。
從1878到1890，巴甫洛夫把研究重點轉移到了血液循環中的神經功能問題上。在研究過程中，他在溫血動物的心臟中發現了壹種特殊的營養神經，這種神經只能控制心跳。後來，人們把這種神經稱為“巴甫洛夫神經”。神經營養學就是從那時創立的。
巴甫洛夫晚年對心理學的態度不再像年輕時那樣充滿敵意。他還說:“心理學只要是探索人的主觀世界，自然就有存在的理由”，但他沒有給自己留任何余地。即使在他臨終時，他唯壹關心的是不要稱自己為心理學家。盡管如此，鑒於他對心理學領域的巨大貢獻，人們還是違背了他的“意誌”，把他尊為行為主義的先驅。