Fue hijo de un patriarca ortodoxo. Comenzó a estudiar teología, pero la dejó para empezar medicina y química en la Universidad de San Petersburgo, siendo su principal maestro Vladímir Béjterev. Tras terminar el doctorado en 1883, amplió sus estudios en Alemania, donde se especializó en fisiología intestinal y en el funcionamiento del sistema circulatorio, bajo la dirección de Ludwid y Haidenhein.
En 1890 obtuvo la plaza de profesor de fisiología en la Academia Médica Imperial y fue nombrado director del Departamento de Fisiología del Instituto de Medicina Experimental de San Petersburgo. En la siguiente década centró su trabajo en la investigación del aparato digestivo y el estudio de los jugos gástricos, trabajos por los que obtuvo el premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1904. Los resultados de las investigaciones de Pávlov fueron publicadas en 1897, en el libro "The Work of the Digestive Glands".
Pávlov es conocido sobre todo por formular la ley del reflejo condicional que por un error en la traducción de su obra al idioma inglés fue llamada "reflejo condicionado", la cual desarrolló a partir de 1901 con su asistente Ivan Filippovitch Tolochinov, al tiempo que en EE.UU. Edwin Burket Twitmyer realizaba observaciones similares. Pavlov observó que la salivación de los perros que utilizaban en sus experimentos se producía ante la presencia de comida o de los propios experimentadores, y luego determinó que podía ser resultado de una actividad psicológica, a la que llamó "reflejo condicional". Esta diferencia entre "condicionado" y "condicional" es importante, pues el término "condicionado" se refiere a un estado, mientras que el término "condicional" se refiere a una relación, que es precisamente el objeto de su investigación. Realizó el conocido experimento consistente en hacer sonar un metrónomo (a 100 golpes por minuto, aunque popularmente se cree que utilizó una campana) justo antes de dar alimento en polvo a un perro, llegando a la conclusión de que, cuando el perro tenía hambre, comenzaba a salivar nada más al oír el sonido del metrónomo (aparato que en ocasiones utilizan los músicos para marcar el ritmo). Tolochinov, que llamó al fenómeno "reflejo a distancia", comunicó los primeros resultados en el Congreso de Ciencias Naturales en Helsinki en 1903. Posteriormente ese mismo año, Pávlov realizó una exposición destallada de los resultados en el 14º Congreso Médico Internacional en Madrid, donde leyó su trabajo bajo el título "The Experimental Psychology and Psychopathology of Animals".
La Guerra civil rusa y la llegada de los bolcheviques no influyeron en sus investigaciones. A pesar de no sentir simpatía por el nuevo régimen, no sufrió represalias por parte de los comunistas. Después de la Revolución de Octubre fue nombrado director de los laboratorios de fisiología en el Instituto de Medicina Experimental de la Academia de Ciencias de la URSS. En cierta ocasión llegó a declarar: No hay evidencia de que se haya involucrado en la Revolución de Octubre ni, en general, en el movimiento comunista.
En la década de 1930 volvió a destacarse al anunciar el principio según el cual la función del lenguaje humano es resultado de una cadena de reflejos condicionales que contendrían palabras.
La fundación del conductismo como tal ha sido criticada por algunos filósofos y psicólogos al considerarla una escuela de la Psicología que se centra en la interacción entre el comportamiento y el ambiente, y cómo se puede aprender.
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