Член-корреспондент Санкт-Петербургской АН, естествоиспытатель, создатель русской физиологической школы
Родился в селе Теплый Стан Курмышского уезда Симбирской губернии, ныне село Сеченово Нижегородской области, в семье дворянина и крепостной крестьянки.
До 14 лет не выезжал за пределы села. Получил домашнее образование.
В 1843 – 1848 годах учился в Главном инженерном училище в городе Санкт-Петербурге. Служил в киевском саперном батальоне 2 года.
В 1850 году подал в отставку, находился дома в Теплом Стане.
С осени 1850 года – вольнослушатель, а с 1851 года (после сдачи вступительных экзаменов) – студент медицинского факультета Московского университета.
Окончил обучение в 1856 году, сдал не обычные, а докторские экзамены. Отказавшись от прав на имение и получив компенсацию, в 1856 –1860 годах за совершенствовал образование в Германии и Франции.
Посещал лекции видных физиологов, занимался в лабораториях, изучал химию, делал опыты. Итогом стажировки стала защита докторской диссертации «Материалы для будущей физиологии алкогольного опьянения» 5 марта 1860 года в Императорской медико-хирургической академии (ИМХА).
Получил степень доктора медицины. Читал лекции в Санкт-Петербургской медико-хирургической академии. Преподавал в общей сложности более 40 лет.
Первым указал на взаимосвязь между организмом и внешней средой.
Опубликовал статью «О растительных актах в животной жизни» (1861).
Помимо физиологии занимался проблемами биологии, медицины и других наук.
В 1862 году в Париже сделал открытие: доказал, что нервная деятельность человека состоит из двух непрестанных процессов - раздражительного и тормозного. Феномен получил название «центрального (или сеченовского) торможения».
В 1863 году в Военно-медицинском журнале издал лекции «О животном электричестве», получил Демидовскую премию. В труде «Рефлексы головного мозга» (1863) опроверг предшествующие взгляды на мыслительную деятельность человека (вышли отдельным изданием в 1866 году).
С апреля 1864 года – ординарный профессор.
Член-корреспондент Санкт-Петербургской АН (05.12.1869).
Вышел в отставку в 1870 году.
Впоследствии трудился в Новороссийском, Санкт-Петербургском и Московском университетах. В 1876 году вернулся в Санкт-Петербург, ординарный профессор. Преподавал на кафедре физиологии Императорского Санкт-Петербургского университета, основал физиологическую лабораторию.
После того, как в 1888 году Академия наук в третий раз отклонила его кандидатуру в действительные члены, отошел от дел.
С 1889 года преподавал в Императорском Московском университете на Медицинском факультете, приват-доцент кафедры физиологи.
С 1891 года – ординарный, с 1896 года — заслуженный профессор кафедры нормальной физиологии. Продолжал вести научную работу, ставить эксперименты. Исследовал психологию, физиологию мышечной деятельности и физиологию труда, физикохимию газов крови.
В 1901 году подал в отставку, сохранив за собой право пользоваться физиологической лабораторией.
Почетный член Санкт-Петербургской Академии Наук (04.12.1904).
Умер в городе Москве. Был похоронен на Ваганьковском кладбище, позднее его прах был перенесен на Новодевичье кладбище.
Награды: ордена Св. Анны 2-й степени (1870); Св. Владимира 3-й степени (1886); Св. Станислава 1-й степени (1899).
Память: 24 ноября 1945 года село Теплый Стан было переименовано в Сеченово.
В селе есть краеведческий музей им. И.М. Сеченова и в центре села на площади Советской установлен бюст.
В Нижегородском районе Нижнего Новгорода его имя носит улица.