Иван Петрович родился 14 (26) сентября 1849 года в городе Рязани. Предки Павлова по отцовской и материнской линиям были служителями церкви. Отец Пётр Дмитриевич Павлов (1823—1899), мать — Варвара Ивановна (урождённая Успенская) (1826—1890).
Окончив в 1864 году рязанское духовное училище, Павлов поступает в рязанскую духовную семинарию, о которой впоследствии вспоминал с большой теплотой. На последнем курсе семинарии он прочитал небольшую книгу «Рефлексы головного мозга» профессора И. М. Сеченова, которая перевернула всю его жизнь. В 1870 году поступил на юридический факультет (семинаристы были ограничены в выборе университетских специальностей), но через 17 дней после поступления перешёл на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета (специализировался по физиологии животных у И. Ф. Циона и Ф. В. Овсянникова). Павлов, как последователь Сеченова, много занимался нервной регуляцией. Сеченову из-за интриг пришлось переехать из Петербурга в Одессу, где он некоторое время работал в университете. Его кафедру в Медико-хирургической академии занял Илья Фаддеевич Цион, и Павлов перенял у Циона виртуозную оперативную технику. Павлов более 10 лет посвятил тому, чтобы получить фистулу (отверстие) желудочно-кишечного тракта. Сделать такую операцию было чрезвычайно трудно, так как изливавшийся из кишечника сок переваривал кишечник и брюшную стенку. И. П. Павлов так сшивал кожу и слизистую, вставлял металлические трубки и закрывал их пробками, что никаких эрозий не было, и он мог получать чистый пищеварительный сок на протяжении всего желудочно-кишечного тракта — от слюнной железы до толстого кишечника, что и было сделано им на сотнях экспериментальных животных. Проводил опыты с мнимым кормлением (перерезание пищевода так, чтобы пища не попадала в желудок), таким образом сделав ряд открытий в области рефлексов выделения желудочного сока. За 10 лет Павлов, по существу, заново создал современную физиологию пищеварения. В 1903 году 54-летний Павлов сделал доклад на XIV Международном медицинском конгрессе в Мадриде. И в следующем, 1904 году, Нобелевская премия за исследование функций главных пищеварительных желез была вручена И. П. Павлову, — он стал первым российским Нобелевским лауреатом.
Существует устойчивое мнение, что в период разрухи (1919—1920 годы), Павлов, терпя нищету, отсутствие финансирования научных исследований, отказался от приглашения Шведской Академии наук переехать в Швецию, где ему обещали создать самые благоприятные условия для жизни и научных исследований, причём в окрестностях Стокгольма планировалось построить по желанию Павлова такой институт, какой он захочет. Павлов ответил, что из России он никуда не уедет.
Это опроверг историк В. Д. Есаков, который нашёл и обнародовал переписку Павлова с властями, где он описывает то, как он отчаянно борется за существование в голодном Петрограде 1920 года. Он крайне негативно оценивает развитие ситуации в новой России и просит отпустить его и его сотрудников за рубеж. В ответ советское правительство пытается предпринять меры, которые должны изменить ситуацию, но они не являются полностью успешными.
Затем последовало соответствующее постановление Советского правительства, и Павлову построили великолепный институт в Колтушах, под Ленинградом, где он и проработал до 1936 года и воспитал целую плеяду выдающихся учёных: Б. П. Бабкин, А. И. Смирнов, В. Н. Болдырев, Л. А. Орбели, И. О. Нарбутович и др.
После смерти Павлов был превращён в символ советской науки. Под лозунгом «защиты павловского наследия» была проведена в 1950 году так называемая «Павловская сессия» АН и АМН СССР (организаторы — К. М. Быков, А. Г. Иванов-Смоленский), где подверглись гонениям ведущие физиологи страны.
Такая политика, однако, находилась в резком противоречии с собственными взглядами Павлова (см., например, приведенные ниже его цитаты).
В 1875 году Павлов поступает на 3-й курс Медико-хирургической академии (ныне Военно-медицинская академия), одновременно (1876—1878) работает в физиологической лаборатории К. Н. Устимовича; по окончании ВМА (1879) был оставлен заведующим физиологической лабораторией при клинике С. П. Боткина.
Цитаты:
Первой наградой имени великого учёного стала премия имени И. П. Павлова, учреждённая АН СССР в 1934 году и присуждавшаяся за лучшую научную работу в области физиологии. Первым её лауреатом в 1937 году стал Леон Абгарович Орбели, один из лучших учеников Ивана Петровича, его единомышленник и сподвижник.
В 1949 году в связи со 100-летием со дня рождения учёного АН СССР была учреждена золотая медаль имени И. П. Павлова, которая присуждается за совокупность работ по развитию учения Ивана Петровича Павлова. Её особенность в том, что работы, ранее удостоенные государственной премии, а также именных государственных премий, на соискание золотой медали имени И. П. Павлова не принимаются. То есть выполненная работа должна быть действительно новой и выдающейся. Впервые этой награды был удостоен в 1950 году Быков, Константин Михайлович за успешное, плодотворное развитие наследия И. П. Павлова.
В 1974 году к 125-летию со дня рождения великого ученого была изготовлена Памятная медаль.
Существует медаль И. П. Павлова Ленинградского физиологического общества.
В 1998 году в преддверии 150-летия со дня рождения И. П. Павлова Российская академия естественных наук учредила серебряную медаль имени И. П. Павлова «За развитие медицины и здравоохранения».
Именем Павлова были названы:
Серебряная памятная монета Банка России, посвящённая 150-летию со дня рождения И. П. Павлова, 1999 год
Почтовая марка СССР, посвящённая И. П. Павлову, 1991, 15 копеек (ЦФА 6321, Скотт 5999)
Почтовая марка СССР, 1949 год. Портрет И. П. Павлова по картине М. Нестерова (1935).