Институт физиологии им. И.П.Павлова РАН, организованный в 1925 г., ведет свое начало от Физиологической лаборатории, созданной в конце XIX века. Возглавил Институт первый отечественный лауреат Нобелевской премии академик И.П.Павлов.

Основная задача Института состояла в изучении физиологии больших полушарий головного мозга по методу условных рефлексов. Экспериментальные исследования на собаках и человекообразных обезьянах и патофизиологический анализ нервных заболеваний в клиниках позволили И.П.Павлову сформулировать новые важные закономерности работы коры головного мозга – принцип структурности, принципы взаимодействия процессов возбуждения и торможения в нервной системе, основные типы нервной системы и зависимость условнорефлекторной деятельности от врожденных особенностей нервной системы, разработать первую в истории науки, патофизиологически обоснованную, нейродинамическую концепцию неврозов. Эти результаты дали мощный импульс углубленным исследованиям структурных и физико-химических основ физиологии и психологии головного мозга животных и человека, исследованиям роли наследственных факторов в формировании типологических особенностей нервной системы.

В 1936 г. , после кончины И.П. Павлова, Институт возглавил его ученик академик Л.А.Орбели, под руководством которого, наряду с основными исследованиями высшей нервной деятельности, сформировалось принципиально новое учение об адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы, имеющее широкое общебиологическое значение и представляющее ценность для клинической медицины.

В 50-е годы под руководством академика К.М.Быкова были получены фундаментальные результаты по физиологии и патофизиологии кортико-висцеральных отношений. Были установлены основные нервные и гормональные механизмы кортико-висцеральных нарушений, возникающих в условиях экспериментального невроза. Была развита теория патогенеза ряда заболеваний внутренних органов, а также генез психосоматических заболеваний человека. Доказано, что с возникновением патологического состояния коры мозга развиваются существенные сдвиги в вегетативной сфере организма.

В 60-70 годы под руководством академика В.Н.Черниговского были получены приоритетные данные, касающиеся структурно-функциональной организации рецепторов внутренних органов и их представительства в коре головного мозга, механизмов восприятия и переработки сенсорной информации, роли стриато-таламо-кортикальной системы в регуляции поведения, онтогенеза мотивационно-эмоциональных реакций. Академиком А.М.Уголевым был открыт новый тип пищеварения — пристеночное (мембранное) пищеварение, которое реализуется на границе внеклеточной и внутриклеточной сред ферментами, синтезируемыми самими кишечными клетками, а также ферментами, адсорбированными из полости тонкой кишки, что обеспечивает эффективное сопряжение пищеварительных и транспортных процессов. Академиком А.Д.Ноздрачевым разработана концепция о метасимпатической нервной системе — самостоятельном (наряду с симпатическим и парасимпатическим) отделе автономной нервной системы, в сфере управления которой находится практически вся текущая деятельность полых внутренних органов.

В 80-90 гг. под руководством академика В.А.Говырина получили дальнейшее развитие работы по изучению процессов регуляции функциональных систем организма, а также механизмов адаптации. В этом направлении установлены важные закономерности взаимоотношения местных и центральных механизмов регуляции кровообращения, тонуса сосудов, дыхания, гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы, установлены механизмы, определяющие помехоустойчивость слуховой и зрительной систем человека и животных, раскрыты новые нейрофизиологические механизмы спинальной локомоции. Выявлена роль генов, контролирующих универсальные свойства нервной системы, связанные с процессами адаптации и обучения. Раскрыто важное значение вторичных внутриклеточных посредников в реализации генетической информации, детерминирующей деятельность нервной системы.

С 1994 г. по 2015 г. директором Института являлся чл.-корр. РАН Д.П. Дворецкий. В значительной мере благодаря его заслугам в тяжелые для науки нашей страны 90-е годы прошлого столетия Институт сохранил свои позиции в качестве одного из ведущих физиологических учреждений страны, последовательно развивая традиционные направления исследований в области физиологии высшей нервной деятельности, висцеральной и сенсорной физиологии на разных уровнях организации (от молекулярно-клеточного до системного организменного). Этому способствовало объединение исследований лабораторий Института в рамках разработки долгосрочных научных программ Президиума РАН, Отделения физиологических наук РАН и др.

28 июля 2015 г. приказом ФАНО № 645 п/о директором Института назначена чл.-корр. РАН Л.П. Филаретова.

В настоящее время Институт физиологии им. И.П.Павлова — сохраняет позицию одного из крупнейших многопрофильных физиологических учреждений страны, в 34 лабораторияхи группах которого работает около 200 научных сотрудников, в том числе 150 докторов и кандидатов наук. Институт размещается в Санкт-Петербурге и в основанном И.П.Павловым научном городке Колтуши (Ленобласть, Всеволожский район, с. Павлово), который включает современные лабораторные здания, Павловский мемориальный комплекс, виварий, антропоидник, крупнейшую научную библиотеку физиологического профиля, основанную в конце XIX века, инфраструктуру обеспечения, жилой массив, парк.