Русский естествоиспытатель и физиолог, почетный член Петербургской АН (с 1904). Родился в с. Теплый Стан ( с. Сеченово Горьковской обл.). Учился в Главном военно - инженерном училище в Петербурге (1848). Окончил Московский университет (1856). До 1860 совершенствовался по физиологии в лабораториях К. Бернара, Г. Л. Ф. Гельмгольца, К. Ф. В. Людвига, Э. Дюбуа - Реймона и др. С 1861 - ординарный профессор физиологии Медико - хирургической академии в Петербурге, в 1871 - 1876 - профессор физиологии Новороссийского университета в Одессе, в 1876 - 1888 - профессор Петербургского университета. С 1889 работал в Московском унте (с 1891 - зав. кафедрой). В 1901 отказался от должности профессора, сохранив за собой право работать в лаборатории. В 1903 - 1904 читал лекции по анатомии и физиологии на Пречистенских курсах для рабочих.

Основные научные работы посвящены общей физиологии, электрофизиологии, физиологии центральной нервной системы и психофизиологии. Обогатил науку фактами и концепциями фундаментального значения. Создал учение о газах крови. Разработал количественные методы определения газов в крови и в солевых растворах. Сконструировал (совместно с Л. Н. Шатерниковым) респирационный аппарат и аппарат для быстрого и точного анализа газов. Сформулировал закон растворимости газов в растворах в зависимости от концентрации растворенных в них солей (правило Сеченова), что явилось большим вкладом в теорию растворов. Открыл химическое соединение гемоглобина с углекислотой - карбгемоглобнн и объяснил дыхательную функцию крови. Впервые обнаружил (1862) явление торможения в центральной нервной системе, а также явление суммации возбуждений в нервных центрах и установил основные закономерности рефлекторной деятельности живых организмов. Обнаружил (1882) ритмические колебания электрических потенциалов в продолговатом мозге. Один из основоположников материалистической психологии и страстный борец против идеализма. В своих работах «Рефлексы головного мозга (1863), «Кому и как разрабатывать психологию» (1873) и др. убедительно показал, что все проявления сознательной и бессознательной жизни совершаются по типу рефлексов. Активный пропагандист физиологических знаний в России.

Основоположник отечественной физиологии.

Вице - президент Новороссийского общества исследователей природы (1873 - 1876), почетный член Новороссийского университета (с 1876). Демидовская премия Петербургской АН. Президиум АН СССР учредил премию его имени.