Павлов родился 26 сентября 1849 года в Рязани в семье молодого священника, служившего в бедном приходе.
Павлов был первенцем. Его назвали простым народным именем - Иван. Это имя пользовалось большой любовью в семье Павловых: дед Павлова назвал им двух своих сыновей, братьев Петра - отца великого физиолога. Дед Ивана Петровича Павлова вышел из крестьян и был пономарем в селе Кривополянье, расположенном в 200 км от Рязани. Когда его дети подросли и их надо было учить, для них был один путь - в семинарию. По окончании семинарии все они сделались священниками, однако для двух из них эта карьера была недолговечной. Старший дядя Павлова - Иван, надев рясу, остался главным героем деревенских кулачных боев и за это вскоре был лишен духовного звания. Другой дядя - тоже Иван - вел себя совсем не по рангу:

закончив службу, он выходил на паперть и заводил с паствой вольнодумные разговоры. Его тоже лишили сана. Как видно, Павловы отличались неугомонными, своеобразными характерами. Павловы жили скромной и бедной жизнью. У них прочно установилась традиция, шедшая от предков-хлеборобов, - черпать дополнительные средства к существованию в земледельческом труде. Дети Петра Димитриевича Павлова принадлежали к разночинной интеллигенции; они воспитывались не в привилегированных учебных заведениях, а в семинарии, где в то время уже царили настроения протеста, где увлекались Писаревым и естествознанием, откуда семинаристы изгоняли тлетворный дух старой бурсы.

Отец Ивана Петровича был просвещенный человек, он любил книгу: невзирая на малые средства, он приобретал всевозможные книжные новинки. Ива н Петрович часто с благодарностью вспоминал заветы отца - читать 7 каждую книгу обязательно по два раза, чтобы лучше усвоить ее содержание. Петр Димитриевич, кроме большого природного ума, выделялся теми чертами характера, которые целиком унаследовал его гениальный сын: серьезным отношением к жизни, требовательностью к другим и не меньшей к самому себе, необыкновенной настойчивостью и силой воли. По семейной традиции Петр Димитриевич любил природу и землю. Живя постоянно в городе, он не мог заниматься хлебопашеством, но у него был небольшой огород и фруктовый сад. Он возделывал их своими руками. Иван Петрович, единственный из сыновей, был неизменным помощником отца в его занятиях садоводством и огородничеством; он вместе с отцом копал и окучивал грядки, регулярно поливал огород, ухаживал за деревьями. При постройке Павловыми дома Иван Петрович выучился столярному и токарному делу и до конца дней не из менял своей любви ко всякой физической работе - будь то земледельческий труд, столярное ремесло или спорт. Интеллектуальное развитие юного Павлова протекало в шестидесятые годы XIX века. Шестидесятые годы -один из важнейших этапов в истории русского общественного движения. Обострение классовых противоречий, связанное с ростом капитализма и назревшей необходимостью ликвидировать крепостное право, всколыхнуло передовые общественные круги царской России. Семинарскую и гимназическую молодежь шестидесятых: годов увлекал Писарев - мыслитель, смело заявивший о своих симпатиях к материализму, заговоривший громко, на всю Рос­сию, о великом значении естествознания, - личность исключительная, передовая и к тому же отмеченная печатью романтики, что еще больше привлекало молодежь.