“我要知道人是怎樣構造的，幫助人們成為健康、聰明、幸福的人。”伊萬·彼得羅維奇·巴甫洛夫青年時代樹立的這一理想，鼓舞著他畢生不畏艱險，不辭辛勞地去不斷揭露生命的奧秘。他在血液循環生理學、消化生理學和高級神經活動心理學這三大領域裏都作出了卓越的貢獻，這使他成為俄國最偉大的生理學家和世界上第一個獲得諾貝爾獎金的生理學家。
1849年9月27日，巴甫洛夫生於俄國中部的梁讚鎮。他父親是一個貧窮教區的牧師，收入微薄，子女又多，生活十分艱難。為維持一家人的生計，父親除盡心於公務之外還時常去做農活。為增加一點家庭收入，母親不得不時常到富人家去做女傭人。他們家境雖困苦窘迫，但父親品行正直，性格開朗，意誌堅強，勤於讀書，他的書架上經常擺滿了各種書籍和雜誌，這就為孩子創造了良好的學習環境。巴甫洛夫的成才，正是從一個破書架起步的。巴甫洛夫的父親是一個窮教士，但他卻喜歡非宗教神學內容的書刊，其中有各種自然科學的著作，也有民主主義者的革命刊物，為此，巴甫洛夫的父親被當地的教徒教士們指責為“自由思想家”，父親的嗜好給孩子樹立了榜樣，父親的破書架成了巴甫洛夫接觸社會與自然知識的起點。巴甫洛夫的父親經常要求巴甫洛夫看書，並且要求每本書讀兩遍，讀後要能夠提出問題，思考答案。巴甫洛夫從童年起繼承了父親勤勞好學的美德，他經常幫助父親在菜園和果園裏幹活，替母親料理家務，尤其是從小就養成了勤奮讀書的好習慣。童年時，一次，他不幸摔傷，身體受到了嚴重的影響，直到11歲時，巴甫洛夫才被送進梁讚的教會中學。十三四歲時，巴甫洛夫在家中的破書架旁廣泛閱讀了俄國的許多進步書刊，這使他的知識大增，眼界大開，思想上也發生了很大的轉變，他開始懷疑宗教神學而崇尚自然科學與民主精神。
巴甫洛夫15歲時在舊書架上翻到了一本英國生理學家路易士的著作《日常生活的生理學》，這本通俗讀物中的內容深深吸引了少年巴甫洛夫，激起了他對生理學的極大興趣。從此，巴甫洛夫便和生理學結下了不解之緣，他將那本小冊子像藏寶貝一樣珍藏了一生。他在中學讀書期間，正是進步思想和自然科學在俄國蓬勃發展的時代。19世紀60年代，俄國偉大的革命民主主義者赫爾岑、別林斯基、車爾尼雪夫斯基、杜勃羅留波夫及啟蒙運動的政論家比薩列夫等對社會生活和科學上的反動思想進行著艱苦卓絕的鬥爭。這是一場喚醒群眾自覺，爭取自由，爭取實現崇高進步理想的鬥爭。與此同時，這些偉大的思想家還在自然科學，特別是在生物學領域熱誠地傳播唯物論的觀點。他們關於生物學的許多精辟的論點大大地影響了當時年輕的一代，也深深地打動了小巴甫洛夫的心。他懷著渴求先進思想，追求科學真理的急切心情，如饑似渴地閱讀他們在《現代人》、《俄羅斯評論》及其他進步刊物上發表的文章。對於他們的自然科學論文，他更是愛不釋手。這些大思想家的先進思想對巴甫洛夫一生所走的道路起了重要的推動作用。這期間，他所潛心研讀的著作有《大腦的反射》和《日常生活的生理學》等。從此，一扇可以窺視生理學，尤其是人類和動物大腦活動奧秘的窗子被打開了。巴甫洛夫對教會中學關於人體是神的智慧所創造的謬論嗤之以鼻，對畢業後當傳教士更是不感興趣。父親為成全兒子的誌向，不顧上級教士的反對與警告，沒等巴甫洛夫從教會中學畢業，便於1870年把他送進了彼得堡大學數理係的生物科學部學習。
青年巴甫洛夫是異常勤奮的。他認為一個人的生命隻有一次，決不能讓它白白度過，而要使它有價值。他十分珍惜自己黃金般的青春，大學時代，他為豐富自己的知識，終日奔波勞碌，不肯浪費一分一秒。每讀一本書，每做一次實驗，他都像是在知識的叢林中探尋奇珍異寶一樣，完全忘卻了周圍的一切。大學三年級時，巴甫洛夫已嶄露頭角。在他的老師生理學教授西昂的指導下，他開始從事神經對血液循環影響的研究，並成為西昂的得力助手。1875年，巴甫洛夫同阿法納西耶夫合寫了一篇論述支配胰腺神經的畢業論文，為此他被授予一枚金質獎章，並以碩士學位勝利地結束了大學生活。
為了擴充自己的生理學知識，巴甫洛夫大學畢業後又進入軍事醫學院。在充當西昂教授的助教的同時，他還攻讀三年級課程。他早期的研究主要側重於理論醫學。不久，西昂出國到巴黎，繼任他職位的塔爾克克哈諾夫約請巴甫洛夫相助。但此人是個趨炎附勢而毫無真才實學的人，所以，巴甫洛夫斷然拒絕與之合作。這件事充分體現了年輕的巴甫洛夫不向權勢折腰的高風亮節。1876年至1878年，巴甫洛夫在烏斯季莫維奇教授領導下的軍事醫學院獸醫部生理實驗室裏研究血液循環生理學。1878年，俄國著名醫學家波特金教授邀請他到自己實驗診所的生理實驗室工作。他在這個設備簡陋，原為浴室的小小實驗室裏一工作就是十多個年頭，直到1890年。巴甫洛夫自始至終都是這個實驗室工作的組織者和領導者。波特金全力支持他的科研，並在理論上對他進行了精心指導，波特金的理論和見解對巴甫洛夫在科學道路上的成長有重大影響，正是在波特金實驗室裏，巴甫洛夫發現了胰腺的分泌神經。他又在心髒神經中發現了一種特殊的神經纖維，這種神經隻能控製心跳的強度，而不影響心跳的快慢。科學界人士為表彰他這一新發現，把這種神經稱為“巴甫洛夫神經”。