Окончил Петербургский горный институт (1885), затем работал инженером на металлургических заводах Вятского горного округа.
В первые годы инженерной деятельности осуществил реконструкцию доменных и пудлинговых печей Климковского и ряда других заводов. В 1894 году опубликовал в «Горном журнале» научный труд «Исследование плавильного процесса доменных печей» — первое в России теоретическое исследование теплового баланса доменных печей, работающих на древесном угле. Во время работы на Сулинском заводе (1896—1900) освоил и усовершенствовал доменную плавку на антраците.
Педагогическую деятельность начал в 1900 году в Екатеринославском высшем горном училище. В 1904—1941 годах — профессор Петербургского (Ленинградского) политехнического института; одновременно в 1921—1930 годах — профессор Московской горной академии, в 1930—1941 — Московского института стали. Активно сотрудничал в научных журналах. Бессменный редактор «Журнала Русского металлургического общества» с момента его основания в 1910 году.
В годы Советской власти принимал активное участие в проектировании крупнейших металлургических заводов, доменных печей и сталеплавильных агрегатов. Большое внимание уделял расширению железорудных и топливных ресурсов металлургического производства, возглавлял экспериментальные работы по использованию торфа для доменной плавки, освоению выплавки чугуна из уральских титаномагнетитов и природно-легированных руд Халиловского района, руководил работами по агломерации и обогащению бедных железных руд, осуществил первые плавки на офлюсованном агломерате. Сделал крупный вклад в области экспериментальных исследований по внедрению кислородного дутья в металлургию.
Сын — Игорь Михайлович Павлов.
Награждён орденами и медалями, в том числе:
В дореволюционные годы Павлов создал капитальные научные труды, в том числе:
Автор ряда учебников и книг по металлургии, в том числе:
Мемуары