Жили Павловы бедно. Младшая сестра будущего академика писала позже о его детстве: «Первым его учителем был отец… Иван Петрович всегда с благодарностью вспоминал отца, который умел привить детям привычку к труду, порядку, точности и аккуратности во всем. Мать наша содержала квартирантов. Зачастую она сама все делала и была большая труженица. Дети ее боготворили и наперебой старались чем-нибудь ей помочь: наколоть дров, истопить печь, принести воды — все это приходилось проделывать и Ивану Петровичу». Грамоте Павлов обучился примерно восьми лет, а осенью 1860 г. поступил сразу во второй класс Рязанского духовного училища. 

В 1864 г. его зачислили в Рязанскую духовную семинарию. Здесь он стал одним из лучших учеников и пользовался репутацией хорошего репетитора. С детства он много читал, и не только духовную литературу. Огромное впечатление произвела на него книга Сеченова «Рефлексы головного мозга». Позже Павлов признавался, что именно она определила всю его дальнейшую судьбу В 1870 г., отказавшись от духовной карьеры, он отправился в столицу и поступил на естественное отделение Петербургского университета. 

Учился он со страстным увлечением «Это было время блестящего состояния факультета, — вспоминал позже Павлов - Мы имели ряд профессоров с огромным научным авторитетом и с выдающимся лекторским талантом». Уже на третьем курсе Павлов решил всецело посвятить себя физиологии. В 1874 г., еще будучи студентом, он был награжден золотой медалью за интересную работу по физиологии нервов поджелудочной железы.

 В следующем году он блестяще закончил университет, получив ученую степень кандидата естественных наук, и поступил сразу на третий курс Медико-хирургической академии. Тогда же он стал работать ассистентом профессора Устиновича на кафедре физиологии ветеринарного отделения. Здесь он провел свои первые замечательные исследования по физиологии кровообращения. В 1878 г. Павлов перешел лаборантом физиологической лаборатории в клинику Боткина, а в 1879 г. с отличием закончил академию и был оставлен в ней для трехгодичного усовершенствования. В клинической лаборатории Боткина Павлов проработал более десяти лет (с 1886 г. он был ее руководителем), и это были решающие годы формирования его как ученого. 

Лаборатория помещалась в маленьком, совершенно не приспособленном для научной работы ветхом деревянном домишке, построенном не то для дворницкой, не то для бани. Недоставало необходимого оборудования, не хватало денег на покупку подопытных животных и на другие исследовательские нужды. И все же Павлов развил кипучую деятельность. Боткин в основном предоставлял ему полную свободу, так что Павлов сам планировал и осуществлял эксперименты. В своей «Автобиографии» он писал: «Первое дело — полная самостоятельность, и затем возможность вполне отдаться лабораторному делу». В 1883 г. Павлов блестяще защитил докторскую диссертацию, взяв в качестве темы центробежные нервы сердца.

 В 1884 г. по представлению Боткина он отправился в двухгодичную заграничную командировку, которую провел в знаменитых лабораториях Гейденгайна и Людвига. По возвращении он начал читать лекции по физиологии в Военно-медицинской академии, а также врачам клинического военного госпиталя и продолжал свои опыты. Имя его постепенно становилось известным как в России, так и за границей. Увлеченный своими исследованиями, 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 г. он женился на Серафиме Васильевне Карчевской. Деньги на их свадьбу дали родственники жены.

 Следующие десять лет Павловы прожили очень стесненно. Младший брат Ивана Петровича, Дмитрий, работавший ассистентом у Менделеева и имевший казенную квартиру, пустил молодоженов к себе. Позже Серафима Васильевна вспоминала: «Когда после дачного житья мы вернулись в Петербург, у нас не оказалось совершенно никаких денег. И если бы не квартира Дмитрия Петровича, то буквально некуда было бы преклонить голову».

 Недоставало денег, чтобы «купить мебель, кухонную, столовую и чайную посуду и белье для Ивана Петровича, так как у него не было даже летней рубашки». Первый ребенок Павловых, Мирчик, умер. Чтобы обеспечить семью, Иван Петрович был принужден прибегать к побочным заработкам. Одно время он даже преподавал в школе для фельдшериц. Часто с таким трудом заработанные деньги ему приходилось тратить на покупку подопытных животных. Материальное положение поправилось только в 1890 г., когда Иван Петрович был избран профессором фармакологии Военно-медицинской академии (в 1895 г. он перешел в той же академии на кафедру физиологии и руководил ею в течение 30 последующих лет). Одновременно в 1891 г.

 Павлов начал работать в институте экспериментальной медицины, где возглавил отдел физиологии. Всемирную известность Павлову принесли его работы в области физиологии пищеварения. Исследователи предшествующей эпохи потратили много усилий, стараясь разгадать секреты функционирования пищеварительного тракта, но успехи их были достаточно скромными. Было очевидно, что органы пищеварения представляют собой настоящую лабораторию, и пища, попадая в рот, желудок и кишечник, подвергается там сложной химической обработке, однако детали этого процесса оставались совершенно непонятны. Не ясно было, от чего зависит выделение желез, все ли они выделяют пищеварительные соки на всякую еду или каждая предназначена для переваривания особого продукта, зависит ли интенсивность отделения этих соков-секретов от количества поглощенной пищи, дополняют ли эти реактивы друг друга или, напротив, нейтрализуют, и, наконец, в какой мере зависят все эти процессы от нервной системы?

 Вовсе не было известно, какие причины способствуют выделению желудочного и кишечного сока. Не были изучены механизмы продвижения пищи в кишечнике и степень участия различных его отделов в усвоении этих продуктов. Не лучше обстояло дело с попытками исследовать деятельность желез желудка. Исследователи пользовались грубой методикой наблюдения, заключавшейся в том, что в желудке подопытной собаки делали фистулу (искусственный канал), вставляли в него трубку и исследовали вытекавший наружу сок. Однако, смешанный с пищей, он представлял мало интереса для науки. Чтобы изучить свойства пищеварительного сока, приходилось делать настой из слизистой оболочки желудка животного. Павлову выпала честь вывести физиологию органов пищеварительного тракта из тупика, в котором она пребывала долгие годы, и поднять эту науку на небывалую высоту. Основным инструментом его исследования стал тончайший, виртуозный эксперимент. Он придумал и осуществил целую серию остроумных, утонченных хирургических операций. Так, например, для детального изучения работы желудочных желез Павлов разработал и впервые провел операцию образования так называемого «маленького желудка». Суть ее заключалась в том, что из части желудка собаки выкраивался небольшой изолированный мешочек. 

Пища в него попасть не могла, и маленький желудок мог служить зеркалом всех химических процессов, происходящих в большом желудке. Благодаря фистуле в его полости экспериментатор имел возможность наблюдать, как меняется состав желудочного сока в зависимости от поступающей пищи. Своеобразными «окошками», через которые можно было наблюдать работу различных органов пищеварительного тракта, стали для Павлова фистулы, которые он научился выводить из самых разных мест — из пищевода, желудка, кишечника, из протоки поджелудочной железы, из каналов слюнных желез и т. п. Все это позволяло ему по желанию изолировать интересующие его органы от остальных частей пищеварительного тракта, наблюдать и исследовать их работу независимо друг от друга. Одна группа исследователей была приставлена к желудку, другая — к поджелудочной железе, третья — к кишечному каналу. Отсчитывались капли слюны, желудочного и кишечного сока, а также желчи, изучался их химический состав и его изменение в зависимости от характера и количества пищи. За несколько лет был накоплен уникальный материал, позволивший ответить на множество вопросов. В 1897 г. Павлов выпустил в свет небольшую книжку, которая называлась довольно просто и сухо: «Лекции о работе пищевых желез». 

Это была сводка результатов всех предшествующих многолетних работ павловской школы в области пищеварения. Труд сразу обратил на себя внимание. Книгой зачитывались не только врачи, для которых она, собственно, была предназначена, но и многие далекие от медицины люди. Переведенные вскоре на европейские языки, «Лекции» ошеломили иностранных ученых. Все, что раньше казалось темным и загадочным, теперь было прояснено во всех деталях. Прежде всего можно было считать доказанным, что нервный аппарат строго регулирует отделение сока желудка и кишечника, что на каждый род пищи отпускается секрет определенной интенсивности, качества, переваривающей силы и кислотности. К примеру, на мясо изливается много желудочного сока, на молоко — меньше, для хлеба выделяется сок, богатый ферментами, для белков и жиров — большая доза желчи.

 Обед встречает в желудке определенный прием; сортирующий механизм одну часть пищи задерживает, другую отправляет дальше. Мясо остается в желудке дольше, молоко дойдет до толстой кишки быстрее, хотя бы мясо и молоко были съедены в один прием. Все эти и многие другие открытия Павлова были чрезвычайно важны для медицины. Германский физиолог Мунк писал: «Со времен Гайденгайна не было еще случая, чтобы один исследователь в течение нескольких лет сделал в физиологии столько открытий, сколько описано их в книге Павлова».

Вскоре после выхода «Лекций» на иностранных языках в скромную лабораторию Павлова началось паломничество ученых из всех университетских городов Европы. 1904 г. ознаменовался для Павлова высшим международным признанием: профессорский совет Каролинского медико-хирургического института присудил ему Нобелевскую премию «в знак признательности его работ по физиологии пищеварения». Между тем в это время Павлов был уже всецело занят другой проблемой — в возрасте 53 лет он круто изменил тематику своих исследований и от пищеварительной системы обратился к изучению деятельности головного мозга.

 Для многих этот поворот казался парадоксальным, но для самого Павлова он означал только расширение сферы его опытов. Он понимал, что именно в работе головного мозга следует искать объяснения многим непонятным наблюдениям, полученным при изучении пищеварительной системы. Например, при исследовании слюнной железы он столкнулся с таким поразительным фактом: у подопытной собаки при виде пробирки, из которой ей вливали в рот разбавленный раствор кислоты, начинала выделяться слюна. Получалось, что пищеварительная система могла функционировать от одного лишь вида раздражителя без всякого присутствия пищи. Как и почему это происходит? Павлов понимал, что ответы на эти и многие другие вопросы может дать только исследование центральной нервной системы. Вступая в новую для себя область и начиная изучение самого сложного и таинственного органа — головного мозга, он решил остаться в роли чистого физиолога и экспериментатора, имеющего дело исключительно с внешними явлениями. 

Вместо того, чтобы вскрывать череп собаки и делать сложные операции, он сосредоточил все внимание на работе слюнной железы и выбрал слюноотделительный рефлекс в качестве основного индикатора при изучении высшей деятельности мозга. В следующие годы было проделано множество разнообразных и интересных экспериментов (например, собаку начинают кормить и при этом зажигают лампочку или включают метроном; потом просто включают лампочку — и у собаки начинается обильное отделение слюны, хотя никакой пищи перед ней нет). Размышляя над результатами этого и других подобных ему опытов, Павлов разработал свою знаменитую теорию условных рефлексов, с которой впервые выступил на Мадридском конгрессе физиологов в 1903 г. Что нужно для того, чтобы свет или звук начали выполнять чужое дело — гнать слюну?

 Нужно, чтобы зрительное или звуковое впечатление совпало с возбужденным состоянием слюнного центра от пищевых или, напротив, едких, отвратительных веществ, попавших в рот. После ряда таких совпадений прокладывается некоторый путь к слюнному центру со стороны других раздражаемых участков тела. Например, собаки несколько раз вливали в рот кислоту, окрашенную в черный цвет. Это вызывало усиленное слюноотделение. Вскоре и простая вода, окрашенная в черный цвет, стала одним своим видом гнать слюну. Реакции подобного рода можно наблюдать постоянно и не только в лаборатории, но и обыденной жизни. Почему собака шарахается в сторону от одного только вида занесенной над ней палки?

 Потому что не однажды возбуждение зрительной сетчатки и, значит, зрительных отделов мозговой коры с видом палки совпало с ощущением удара и ощущением боли. Удар, боль возбуждают двигательный центр и тем самым весь двигательный аппарат животного. Точно так же всякое явление — звуковое, зрительное, — неоднократно совпавшее с этой врожденной двигательной реакцией, неизбежно приобретает способность так же вызывать ее. 

От зрительного и слухового участка мозговой коры «проторился» не существовавший дотоле нервный путь к центрам движения. На основе врожденного рефлекса возник приобретенный рефлекс. И не так ли точно кличка, призывный свист и внешность хозяина становятся для собаки столь же могучим возбудителем движения, как и сама пища, если только они многократно с ней совпадут? Щенка никогда не приучишь прибегать на свист, если не сочетать этот свист с кормлением. Так же при помощи отдаленных и даже случайных признаков предмета животное отыскивает себе пищу, избегает врага. Чтобы подтвердить свою точку зрения, Павлов демонстрировал такой опыт: он вырабатывал у собаки определенные условные рефлексы, а затем удалял ей полушария мозга — рефлексы немедленно пропадали. С удалением коры головного мозга собака утрачивала всю память и способность запоминать и навсегда теряла способность к тончайшей и гибкой приспособляемости. Таким образом, Павлов неопровержимо доказал, что большие полушария есть орган «замыкания» и «размыкания» временных связей. Здесь и только здесь хранятся и непрерывно нарастают «нажитой капитал», жизненный опыт, условные рефлексы. А все то, что от рождения наследуется в готовом неизменном виде — врожденные рефлексы, — «привязано» к центрам спинного, продолговатого и нижнего этажа головного мозга. Однако условные рефлексы, в отличие от безусловных, являются временными. Если условный рефлекс постоянно не подкреплять — он пропадает. Стоит всего несколько раз «обмануть» собаку (например, зажечь лампочку, но не дать ей после этого пищи), и отделение слюны при включении лампочки прекратится.

 Объясняя это явление, Павлов выдвинул идею о двух параллельно протекающих в мозгу процессах — торможении и возбуждении. Торможение служит как бы обратной стороной раздражения и необходимо для того, чтобы память «не засорялась» ненужными рефлексами. Напряженная научная деятельность Павлова (в 1907 г. он был избран действительным членом Российской Академии наук) нарастала с каждым годом. В его лаборатории одно за другим делались удивительные открытия. Даже социальные катаклизмы, потрясшие Россию во втором десятилетии XX века, когда на страну надвинулись ужасы мировой и гражданской войн, интервенции, блокады, тифа и голода, не остановили его исследований. Известно, что Павлов в феврале 1917 г. горячо приветствовал падение самодержавия, но Октябрьскую революцию не принял. В июле 1920 г. он отправил в Совнарком письмо с просьбой отпустить его работать за границу.

 В этом письме он, в частности, писал: «Как стародавний экспериментатор, глубоко убежден, что проделываемый над Россией социальный и политический опыт обречен на непременную неудачу и ничего в результате, кроме политической и культурной гибели моей Родины, не даст». О причинах, понуждающих его к эмиграции, и о положении своей семьи Павлов в том же письме говорил так: «Хотя сейчас я совмещаю три должности, значит, получаю жалование на трех местах, всего в общей сумме 25 тысяч рублей в месяц — однако, за недостатком средств, принужден исполнять в соответствующий сезон работу огородника (в мои года не всегда легкую) и постоянно действовать дома в роли прислуги, помощника жены на кухне… 

Несмотря на это, мне и жене приходится питаться плохо и в количественном и в качественном отношении (годами не видеть белого хлеба, неделями не иметь ни молока, ни какого мяса, прокармливаться главным образом черным, большей частью недоброкачественным, хлебом…), что, естественно, ведет к нашему похуданию и обессиливанию. И это после полувековой напряженной научной работы, увенчавшейся ценными результатами, признанными всем научным миром…» Это письмо заставило Петроградский совет, Луначарского и Ленина обратить внимание на отчаянное положение дел в лаборатории Павлова. Оказалось, что она не имеет дров, что собаки умирают от голода, что почти все сотрудники мобилизованы, а сам академик принужден проводить свои операции при свете лучины. В январе 1921 г. Ленин подписал постановление Совнаркома «Об условиях, обеспечивающих научную деятельность академика Павлова». Положение дел в павловской лаборатории (вскоре она была преобразована в Физиологический институт Академии наук) улучшилось. Павлов остался в России и перенес все тяготы жизни и трудности научной работы в тогдашних условиях. В 1924 г. в Колтушах под Ленинградом начал работать построенный специально для Павлова научный институт-городок с большим числом постоянных научных сотрудников. Последние пятнадцать лет жизни великого физиолога ознаменовались новыми открытиями. В эти годы психология обогатилась павловскими учениями о неврозах, о темпераментах и о гипнозе. Но особенно большое значение имела его теория о роли в человеческой психике второй сигнальной системы. В одной из своих работ Павлов писал: «В развивающемся животном мире на фазе человека произошла чрезвычайная прибавка к механизмам нервной деятельности. Для животного действительность сигнализируется почти исключительно только раздражениями и следами их в больших полушариях, непосредственно приходящими в клетки зрительных, слуховых и других рецепторов организма… Это первая сигнальная система действительности, общая у нас с животными. Но слово, будучи сигналом первых сигналов, составило вторую, специально нашу, сигнальную систему действительности… Слово сделало нас людьми». В самом деле, слово в человеческом сознании обозначает собою все явления и рождает образы всех существующих предметов. Оно, выражаясь павловским языком, служит тем «универсальным раздражителем», который может подменять и обозначать любой другой внешний раздражитель. Именно благодаря второй сигнальной системе человек обрел недоступную для животных и качественно отличающую его способность к отвлеченному абстрактному мышлению. Учение о второй сигнальной системе стало одним из последних великих открытий Павлова. До самой глубокой старости он не знал немощей и упадка творческих сил. Юношеская страстность, бодрость, выносливость, феноменальная память, острый, ясный и проницательный ум не оставляли его до последних дней. «Мы начинали верить в физическое бессмертие этого человека», — вспоминал один из его учеников, Анохин. И так думал не только он. Поэтому внезапная смерть 87-летнего ученого, последовавшая в начале 1936 г. из-за двухстороннего воспаления легких, многих поразила своей неожиданностью. Когда скорбная весть облетела весь мир и достигла знаменитого американского физиолога Кеннона, он имел все основания сказать: «Умер некоронованный король физиологии, величайший ученый огромного масштаба, свершивший гигантский переворот в медицине, подобно дарвинскому перевороту в естествознании».