Pavlov se narodil v ruském Rygaru. Vysokoškolské vzdělání začal jako student semináře, ale studia zanechal a zapsal se na Petrohradskou univerzitu ke studiu přírodních věd. Doktorát získal v roce 1879.
Pavlovovi psi, Pavlovovo muzeum, 2005
V 90. letech 19. století Pavlov zkoumal žaludeční funkci fretek externalizací slinné žlázy, aby mohl sbírat, měřit a analyzovat sliny vznikající v reakci na potravu za různých podmínek. Všiml si, že fretky mají tendenci slinit ještě předtím, než jim potrava skutečně dorazí do úst, a pustil se do zkoumání této „psychické sekrece“, jak ji nazval. Usoudil, že je to zajímavější než chemie slin, a změnil zaměření svého výzkumu, provedl dlouhou řadu experimentů, v nichž manipuloval s podněty, které se vyskytovaly před prezentací potravy. Tím stanovil základní zákony pro stanovení a zánik toho, co nazýval „podmíněnými reflexy“ – tj. reflexní reakce, jako slinění, které se vyskytovaly pouze podmíněné konkrétními předchozími zkušenostmi zvířete. Tyto experimenty byly prováděny v 90. a 90. letech 19. století a byly známy západním vědcům prostřednictvím překladů jednotlivých popisů, ale poprvé byly plně dostupné v angličtině v knize vydané v roce 1927.
Pavlov byl obratný operátor, který byl kompulzivní ohledně své pracovní doby a zvyků. Sedával k obědu přesně ve 12 hodin, chodil spát každý večer přesně ve stejnou dobu, vždy krmil své psy každý večer přesně ve stejnou dobu a vždy odjížděl z Petrohradu/Leningradu do [Estonska na dovolenou každý rok ve stejný den. Toto chování se změnilo, když jeho syn Viktor zemřel v Bílé armádě.
Na rozdíl od mnoha předrevolučních vědců byl Pavlov sovětskou vládou vysoce ceněn a ve svých výzkumech mohl pokračovat, dokud nedosáhl značného věku. Pavlov sám nebyl příznivě nakloněn marxismu, ale jako nositel Nobelovy ceny byl považován za cenný politický přínos a jako takový byl štědře financován. Po vraždě Sergeje Kirova v roce 1934 napsal Pavlov Molotovovi několik dopisů, v nichž kritizoval masové perzekuce, které následovaly, a žádal o přehodnocení případů týkajících se několika lidí, které osobně znal. V pozdějším životě se zajímal zejména o snahu využít podmiňování k vytvoření experimentálního modelu indukce neuróz. Zemřel v Leningradě. Jeho laboratoř v Petrohradě byla pečlivě zachována.
Zajímavé je, že Pavlovův termín „podmíněný reflex“ („условный рефлекс“) byl z ruštiny chybně přeložen jako „podmíněný reflex“ a další vědci, kteří četli jeho práci, došli k závěru, že jelikož takové reflexy byly podmíněny, musí být produkovány procesem zvaným podmiňování. Jak Pavlovovo dílo vešlo ve známost na Západě, zejména díky spisům Johna B. Watsona, myšlenka „podmiňování“ jako automatické formy učení se stala klíčovým pojmem v rozvíjející se specializaci srovnávací psychologie a obecného přístupu k psychologii, který je jejím základem, behaviorismu. Bertrand Russell byl nadšeným obhájcem významu Pavlovova díla pro filozofii mysli.
Všeobecně se má za to, že Pavlov vždy signalizoval výskyt potravy zvoněním na zvonek. Nicméně jeho spisy zaznamenávají použití široké škály sluchových podnětů, včetně píšťalek, metronomů, ladicích vidliček, kromě řady vizuálních podnětů. Když v 90. letech 20. století bylo pro západní vědce snazší navštívit Pavlovovu laboratoř, po zvonku se nenašla ani stopa.
Při pozorování individuálních rozdílů v kondicionování mezi svými subjekty Pavlov vyvinul typologii vyšší nervové aktivity, která byla prvním systematickým přístupem k psychofyziologii individuálních rozdílů. Jeho teorii dále rozvíjeli Teplov, Nebylicyn a jejich žáci v Ústavu psychologie v Moskvě. Tyto myšlenky zase inspirovaly Eysenckovu teorii fyziologických základů extraverze a introverze a Grayovo pojetí vzrušivosti.
Abse, D. (1974) The Dogs of Pavlov, citováno v S. Milgram (1974) Obedience to Authority New York Harper & Row.