巴普洛夫·伊凡·皮的罗维奇于1849年9月26日出生在俄国中部小城梁赞，他的父亲是为乡村牧师，母亲是一位牧师的女儿。巴甫洛夫是家中5个子女中的长子，因此自幼养成了做事负责的习惯。他从小学习勤奋，兴趣广泛。由于父亲喜欢看书，家中有许多像赫尔岑、车尔尼雪夫斯基等人的进步著作，在父亲的影响下，他一有空就爬到阁楼上，读父亲的藏书。

    1860年巴普洛夫进入梁赞教会中学，1864年毕业后进入梁赞教会神学院，准备将来做传教士。19世纪60年代，俄国一些伟大的革命民主主义者赫尔岑、别林斯基、车尔尼雪夫斯基等与社会生活和科学上的反动思想进行着艰苦卓绝的斗争。在此期间从披萨列夫的文章《动植物世界的进步》中，他知道了达尔文的进化论，并受到当时苏俄著名生理学家谢切诺夫1863年出版《脑的反射》一书影响，对自然科学发生兴趣，逐步放弃神学，这些革命先驱的思想，深深影响了巴普洛夫，尽管巴普洛夫出身于宗教家庭，但他本人既不想像父亲一样一辈子当个牧师，也不相信上帝的存在。

    1870年21岁的巴普洛夫和他弟弟一起考入圣彼得堡大学，先入法律系，后转到物理数学系自然科学专业。谢切诺夫当时正是这里的生理学教授，而年轻的门捷列夫则是化学教授。巴普洛夫在大学的前两年表现平凡，在大学三年级时上了齐昂教授所开授的生理学，对生理学和实验产生了浓厚的兴趣，找到了索要主修的学科从此投入生理学的研究。为了使实验做的得心应手，他不断练习双手操作，渐渐地相当精细的手术他也能迅速完成，齐昂老师很欣赏他的才学，常常叫他作自己的助手。在齐昂的指导下，1874年，他和同学阿法纳西耶夫完成了第一篇科学论文《论支配胰腺的神经》，获得研究金质奖章。

    大学期间他和弟弟尽管学习优异并且年年获得奖学金，但是生活还是比较清贫，需要给别人做家庭教师才能维持日常生活，为了节省车费他们每天走很远的路。巴普洛夫在大学里以生物生理课为主修课，学习十分刻苦，巴普洛夫不懂就问，每次手术都做的又快又好，渐渐的有了名气。巴普洛夫四年级时在老师的指导下和另一个同学合作，完成了关于胰腺的神经支配的第一篇科学论文，获得了学校的金质奖章。

    因为在生理学上投入时间太多，大学最后一年，他主动要求留级，1875年巴普洛夫获得了生理学学士学位。在进外科医学学院攻读医学博士学位，以使将来有资格去主持生理学讲座。在此期间，成为了自己老师的助教。1878年，他应俄国著名临床医师波特金教授的邀请，到他的医院主持生理实验工作，实验室听起来好听，其实就是一间破屋子，它即像看门人的住房，又像一间澡堂，巴普洛夫却在这里工作了10余年。在这里他主要研究血液循环、消化生理、药理学方面的有关问题。1879年从医学院毕业并获四年的奖学金，31岁的他和教育系的女学生谢拉菲玛结婚，婚后妻子把他们的生活料理得井然有序，巴普洛夫不仅仅能安心工作，也能好好地休息。

    1878年至1890年，巴普洛夫重点研究血液循环和神经系统作用问题，当时，神经系统对于许多器官的支配作用和调节作用还没有被人们清楚地认识。在极为恶劣的工作条件下，巴普洛夫坚持研究。他发现了胰腺的分泌神经。不久他又发现了温血动物的心脏有一种特殊的营养性神经，这种神经只能控制心跳的强弱，而不影响心跳的快慢。科学界人士把这种神经就称为“巴普洛夫神经”。巴普洛夫自此开辟了生理学的一个新分支——神经营养学。1883年写成“心脏的传出神经支配”的博士论文。获得帝国医学院医学博士学位，讲师职务和金质奖章。

    1884——1886年间，赴德国莱比锡大学路德维希研究室进修，继续研究心脏搏动的影响机制。此时他提出心脏跳动节奏与加速是由两种不同的肌肉在进行，而且是由两种不同神经在控制。1886年他自德国归来后重会大学实验室，继续进行“狗的心脏分离手术”。1887年，他逐渐将研究方向转入人体消化系统。从1888年开始，巴普洛夫对消化生理进行研究。他发明了新的实验方法，不是用别麻醉的动物做急性实验（每次实验了，动物也就死掉了）而是用健康的动物做慢性实验，从而能够长期观察动物的正常生理过程。他还创造了多种外科手术，把外科手术引向整个消化系统，彻底搞清了神经系统在调节整个消化系统过程中的主导作用。他还发现分布在第十对脑神经迷走神经与胃液的分泌有关。用同样的方法分泌胃液，迷走神经切断，就不再分泌。但是如果不假饲，只刺激迷走神经，也能分泌胃液。是什么东西对迷走神经产生了刺激？原来味觉器官感受到了食物刺激，便会通过神经传给大脑，通过大脑传给迷走神经，从而开始分泌胃液。这就是条件反射学说。为此他获得了1904年的诺贝尔生理学或医学奖。他是第一个获得该荣誉的俄国科学家。

    经过连续30多年的高级神经活动的研究，他发现了大脑皮层机能的活动规律。

    巴普洛夫一生致力于医学研究，直到生命的最后一刻。他逝世后，苏联政府在他的故乡梁赞建造了巴普洛夫纪念馆，并设立纪念碑。