Estudià història natural i medicina a Peterburg. Després d’una temporada de pràctiques a l’estranger sota la direcció de Heidenhain i Ludwig, guanyà una càtedra de fisiologia al seu país i ja no deixà mai d’investigar dins el camp de la vida: regulació nerviosa de la circulació, fisiologia de la digestió, reflexos condicionats i conducta, etc. La característica dels seus treballs, inspirats en gran part pel seu compatriota Sečenov, fou un esforç per arribar a comprendre el psiquisme, tant l’animal com l’humà, a través dels mètodes materialistes emprats en la investigació fisiològica. Això li ocasionà l’hostilitat dels savis dualistes, dels idealistes i especialment dels defensors de la Gestalt. Guanyat ja el premi Nobel (1904), els homes de la revolució bolxevic l’ompliren d’honors i esdevingué el primer representant de la ciència soviètica oficial. Entre les seves obres cal destacar Lliçons sobre el treball dels gran hemisferis cerebrals (1926) i El reflex condicionat (1935).