1849年9月26日，巴甫洛夫出生在俄國中部小城梁贊，他的父親是位鄉村牧師，母親替人家做飯貼補家用。

巴甫洛夫自幼學習勤奮、興趣廣泛。由于他父親喜歡看書，家中有許多像赫爾岑、車爾尼雪夫斯基等人的進步著作，在父親的影響下，巴甫洛夫一有空就爬到閣樓上，讀父親的藏書。21歲時他和弟弟德米特里一起考入彼得堡大學自然科學系。

他和弟弟盡管在大學里學習優異并年年獲獎學金，但生活還是比較清貧...