Академик И.П. Павлов, выдающийся физиолог и классик естествознания, был почетным членом 132 академий и научных обществ, а также почетным доктором Кембриджского университета. Он стал первым русским лауреатом Нобелевской премии в 1904 году и был признан старейшиной среди физиологов мира.

На протяжении более шестидесяти лет Павлов развивал "науку ликующей жизни", как он называл физиологию. Его имя связано с важными открытиями в физиологии кровообращения, пищеварения и высшей нервной деятельности.

К 85-летию со дня рождения Павлова, 23 сентября 1934 года, улица Курганская была переименована в улицу Павлова. Однако 31 июля 1964 года улица Павлова стала улицей Маяковского, а улица К. Маркса (ранее Никольская) была переименована в улицу академика Павлова.

В годы Великой Отечественной войны, 2 июня 1944 года, было принято решение Совета Народных комиссаров о создании музея на родине ученого. Музей И.П. Павлова открылся 6 марта 1946 года, в десятую годовщину со дня его смерти, в рамках выездной объединенной сессии Академии наук СССР и Академии медицинских наук СССР.

В 1968 году в распоряжение музея перешел второй усадебный дом, построенный в 1888 году отцом ученого, Петром Дмитриевичем Павловым. В 1974 году, к 125-летию со дня рождения Павлова, была торжественно открыта научная экспозиция, посвященная его открытиям в области физиологии, в этом доме, который получил название Дом науки.

30 ноября 1993 года музею был присвоен статус "Мемориальный музей-усадьба академика И.П. Павлова". В 2007 году в состав музея вошло административное здание, где сейчас работает Научный центр по сохранению и пропаганде наследия Павлова, проводящий научные конференции и семинары.

В 2009 году музей стал дипломантом Национальной туристской премии имени Ю. Сенкевича в номинации "Лучший региональный музей". 12 июня 2010 года в Доме науки состоялось открытие обновленной научной экспозиции. Шесть залов музея представляют не только открытия Павлова, но и формируют образ ученого как гражданина мира.