W 1875 Pawłow zaczął 3. rok studiów w Cesarskiej Akademii Medyczno-Chirurgicznej. Równocześnie w latach 1876–1878 pracował w laboratorium fizjologicznym K.N. Ustimowicza. Po ukończeniu CAMCh, w 1879 został szefem laboratorium fizjologicznego w klinice Botkina. Obronił pracę doktorską pt. O nerwach odśrodkowych serca w 1883. Lata 1884–1886 spędził za granicą, w laboratoriach Wrocławia oraz Lipska. W 1890 został profesorem katedry farmakologii Cesarskiej Wojskowej Akademii Medycznej (nowa nazwa uczelni) a w 1896 prowadzącym katedrę fizjologii. Na tym stanowisku pozostał do 1924. Równocześnie od 1890 prowadził także laboratorium fizjologiczne przy świeżo organizowanym Instytucie Medycyny Eksperymentalnej. W 1901 został członkiem korespondentem, a od 1907 członkiem rzeczywistym (zwyczajnym) Petersburskiej Akademii Nauk. W tym samym roku został członkiem zagranicznym Królewskiej Holenderskiej Akademii Sztuk i Nauk.