1849年9月26日，巴甫洛夫出生在俄国中部小城梁赞，他的父亲是位乡村牧师，母亲替人家做饭贴补家用。
巴甫洛夫自幼学习勤奋、兴趣广泛。由于他父亲喜欢看书，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，巴甫洛夫一有空就爬到阁楼上，读父亲的藏书。21岁时他和弟弟德米特里一起考入彼得堡大学自然科学系。
他和弟弟尽管在大学里学习优异并年年获奖学金，但生活还是比较清贫，需要给别人做家庭教师才能维持日常生活。为了节省车费，他们每天都要步行走好远的路。巴甫洛夫在大学里以生物生理学为主修课，学习十分刻苦，为了使实验做得得心应手，他不断练习用双手操作，渐渐地相当精细的手术他也能迅速准确地完成，导师很赏识他的实验才能，常叫他当自己的助手。巴甫洛夫不懂就问，每次手术都做得既快又好，渐渐有了名气。巴甫洛夫四年级时在导师指导下和另一同学合作，完成了关于胰腺的神经支配的第一篇科学论文，获得了校方的金质奖章。
1875年，巴甫洛夫获得生理学学士学位，成为自己导师的助教，同年他又考上了圣彼得堡大学医学院。1878年，他应俄国著名临床医师波特金教授之邀，到他的医院主持生理实验室工作。实验室听起来好听，其实只是一间非常陈旧狭小的屋子，它既像看门人的住房，又像一间澡堂，巴甫洛夫却在这里工作了10余年。
后来巴甫洛夫开始研究血液循环和神经系统对心脏的影响。1883年写成“心脏的传出神经支配”的博士论文，获得帝国医学科学院医学博士学位、讲师职务和金质奖章。
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