Иван Петрович родился 14 (26) сентября 1849 года в Рязани в семье священника. Предки Павлова по отцовской и материнской линиям были священнослужителями Русской православной церкви.
Окончив в 1864 году рязанское духовное училище, Павлов поступил в Рязанскую духовную семинарию, о которой впоследствии вспоминал с большой теплотой. На последнем курсе семинарии он прочитал небольшую книгу «Рефлексы головного мозга» профессора Ивана Сеченова, которая перевернула всю его жизнь. В 1870 году поступил на юридический факультет Санкт-Петербургского университета (выпускники семинарии были ограничены в выборе университетских специальностей), но через 17 дней после поступления перешёл на естественное отделение физико-математического факультета, где специализировался по физиологии животных у Ильи Циона и Филиппа Овсянникова.
Павлов очень мало думал о материальном благополучии и до женитьбы не обращал на житейские проблемы никакого внимания. Бедность начала угнетать его только после того, как в 1881 году он женился на ростовчанке Серафиме Васильевне Карчевской. Познакомились они в Петербурге в конце 1870-х годов.
В 1883 году Павлов защитил докторскую диссертацию «О центробежных нервах сердца».
В 1884—1886 годах Павлов был командирован для совершенствования знаний за границу в Бреслау и Лейпциг, где работал в лабораториях у Вильгельма Вундта, Рудольфа Гейденгайна и Карла Людвига.
В 1890 году Павлов избран профессором и заведующим кафедрой фармакологии Военно-медицинской академии, а в 1896 году — заведующим кафедрой физиологии, которой руководил до 1924 года. Одновременно (с 1890 года) Павлов — заведующий физиологической лабораторией при организованном принцем Александром Ольденбургским Институте экспериментальной медицины.
Иван Павлов на кафедре физиологии Военно-медицинской академии, 1912 год
Учёный любил отдыхать вместе с супругой в городке Силламяэ (ныне — Эстония), где с 1891 года вплоть до революции они снимали самую большую дачу на весь летний сезон — июнь, июль, август. Она находилась в местечке Тюрсамяэ во владениях А. Валдманна. По утрам Иван Петрович работает в цветнике. Он удобряет почву на клумбах, высаживает и поливает цветы, меняет песок на дорожках. Днём семья уходит по ягоды или по грибы, вечером обязательны велосипедные прогулки. В 11 часов дня Павлов собирает свою городошную компанию для игры в городки.
1901 — избран членом-корреспондентом.
1907 — избран действительным членом (академиком).
В 1904 году Павлову была присуждена Нобелевская премия в области медицины и физиологии за «воссоздание» истинной физиологии пищеварения.
Почётный член Московского университета (1916). Член Французской академии наук (1911), Ирландской королевской академии (1917), Леопольдины (1925).
В 1918 году Иван Павлов вместе с семьёй получил квартиру в ленинградском Доме академиков (современный адрес: Санкт-Петербурге, 7-я линия Васильевского острова, 2/1, лит. А, кв. 11). Учёный прожил здесь 18 лет, до самой смерти. Сейчас по этому адресу находится музей-квартира И. П. Павлова, а на фасаде здания укреплена мемориальная доска в память о великом физиологе.
В 1921 году СНК РСФСР издал специальный декрет за подписью Владимира Ленина о создании условий, обеспечивающих научную работу Павлова. Несмотря на идейные расхождения с большевиками, Павлов остался на родине и признавался: «Что ни делаю, постоянно думаю, что служу этим, сколько позволяют мне мои силы, прежде всего моему отечеству, нашей русской науке».
C 1925 года вплоть до конца жизни Павлов руководил Институтом физиологии АН СССР.
В 1934 году, в связи с 85-летием И. П. Павлова, А. М. Горький в переписке обращается к В. М. Молотову с предложением о праздновании юбилея Павлова, в том числе, представлении того к почётным званиям, а также с предложением о выделении «ему [Павлову] рублей на сто в месяц бонов Торгсина» (переписка А. М. Горького с членами советского правительства была опубликована в 1989—1990 гг.).
В 1935 году на 15‑м Международном конгрессе физиологов Иван Петрович был увенчан почётным званием «старейшины физиологов мира». Ни до, ни после него ни один биолог не удостаивался такой чести. На приёме, устроенном советским правительством для делегации этого конгресса, Павлов сказал: «…Мы, руководители научных учреждений, находимся прямо в тревоге и беспокойстве по поводу того, будем ли мы в состоянии оправдать все те средства, которые нам представляет правительство». О высоком чувстве ответственности перед Родиной говорил учёный и в своём письме к молодёжи, написанном незадолго до своей кончины.
Академик Иван Петрович Павлов скончался 27 февраля 1936 года в Ленинграде. В качестве причины смерти указывается пневмония. Отпевание по православному обряду, согласно его завещанию, было совершено в церкви святого Иоанна Кронштадтского в Колтушах, после чего в Таврическом дворце состоялась церемония прощания.
