Іван Михайлович Сєченов народився 1 (13) серпня 1829 року у селі Теплий Стан Курмишского повіту Симбірської губернії. Його батько, Михайло Олексійович, в молодості був військовим, служив у Преображенському гвардійському полку, але потім вийшов у відставку в чині секунд-майора і оселився у селі. Мати, Онися Єгорівна, була селянкою, яку тільки заміжжя (вона вийшла заміж за свого пана) звільнило від кріпосницької залежності.
Дитинство майбутнього вченого-фізіолога пройшло в селі, до чотирнадцяти років він не залишав Теплого Стану. Після смерті батька матеріальне становище сім'ї погіршилося, і хлопчикові довелося ази науки пізнавати дома.
Потім Івана відправили у військове училище з тим, щоб він вчився на інженера. У 1843 році Іван виїхав до Петербурга, де за кілька місяців він підготувався і успішно здав вступні іспити в Головне інженерне училище.
Однак Сєченов не ладив з начальством і не був допущений до старшого класу училища, щоб стати військовим інженером. У чині прапорщика він був випущений і направлений у звичайний саперний батальйон. Через два роки Сєченов подав у відставку, пішов з військової служби і вступив на медичний факультет Московського університету.
Вдумливий і старанний студент, Сєченов спочатку вчився дуже старанно. Цікаво, що на молодших курсах він мріяв, за його власним визнанням, не про фізіологію, а про порівняльну анатомію. На старших курсах після знайомства з головними медичними предметами Сєченов розчарувався в медицині того часу. Сєченов захопився психологією і філософією. У ці роки Сєченов ввійшов у гурток прогресивної московської молоді, що групувалися навколо відомого письменника Аполлона Григор'єва.
Жив Сєченов у студентські роки дуже скромно - знімав невеликі кімнатки. Грошей, які надсилала йому з села мати, ледь вистачало на їжу, але ж потрібно було ще вносити плату за навчання. На старших курсах, остаточно переконавшись, що медицина - це не його покликання, Сєченов став мріяти про фізіологію. Закінчивши курс навчання, Сєченов, в числі трьох найбільш здібних студентів, здавав не звичайні лікарські, а більш складні - докторські іспити. Успішно витримавши їх, він отримав право готувати і захищати докторську дисертацію.
Після успішного захисту Сєченов відправився за кордон «з твердим наміром займатися фізіологією». З цього часу фізіологія стала справою всього його життя. Починаючи з 1856 року він кілька років проводить за кордоном, працюючи у найбільших фізіологів Європи - Гельмгольца, Дюбуа-Реймона, Бернара. Там же він пише докторську дисертацію «Матеріали до фізіології  алкогольного сп'яніння», досліди для якої ставить на собі!
  Повернувшись до Росії після захисту дисертації 8 березня 1860 року, він стає професором Петербурзької медичної академії. Вже перші лекції тридцятирічного професора фізіології привернули загальний інтерес. Його виступи відрізнялися не тільки і не стільки простотою і наочністю викладу, скільки новизною, незвичністю змісту, насиченістю, фактами останніх досягнень науки. Сєченовські лекції з електрофізіології викликали такий широкий інтерес, що редакція «Військово-медичного журналу» вирішила опублікувати їх.
З самого початку роботи на кафедрі фізіології Сєченов відновив інтенсивні наукові дослідження. Вже перші наукові праці Сєченова, виконані в той час, і його лекції з електрофізіології, удостоєні найвищої нагороди Академії наук, ясно показали, що в російську науку увійшов великий, самобутній талант. І зовсім не випадково група вчених вирішила висунути Івана Михайловича у дійсні члени Академії наук.
 Восени 1861 Сєченов познайомився з Марією Олександрівною Боковою та її подругою Н.П. Сусловою. Обидві молоді жінки хотіли здобути вищу освіту, стати лікарями. Але вступити до університету вони не могли - у той час в Росії шлях до вищої освіти для жінок був закритий. Тоді Бокова і Суслова почали відвідувати лекції в якості вільних слухачок в Медико-хірургічній академії і, незважаючи на труднощі, вивчати медицину.
Сєченов гаряче співчував прагненню російських жінок до вищої освіти і тому з великою охотою допомагав їм у навчанні. Більш того, в кінці академічного року він дав обом своїм ученицям теми для наукових досліджень. Обидві учениці Сєченова під його керівництвом виконали докторські дисертації і захистили їх в Цюріху.
  Згодом Марія Олександрівна Бокова стала дружиною Сєченова, його незмінним другом.
Восени 1862 року вчений отримав річний відпустку і вирушив до Парижа. До столиці Франції його привело бажання ближче познайомитися з дослідженнями знаменитого Клода Бернара і самому попрацювати в його лабораторії. Це йому вдалося. Понад те, в знаменитому Колеж де Франс він прослухав курс лекцій з термометрії.
Самим значним результатом досліджень, проведених Сєченовим в Парижі, було відкриття так званого центрального гальмування - особливих механізмів у головному мозку жаби, що подавляють або пригнічують рефлекси. Про це Сєченов повідомив в роботі, опублікованій в 1863 році спочатку французькою, а потім німецькою та російською мовами.
У тому ж році російський журнал «Медичний вісник» опублікував статтю Сєченова «Рефлекси головного мозку».Вчений вперше показав, що вся складність психічного життя людини, її поведінка залежать від зовнішніх подразників, а не від якоїсь загадкової "душі". Усяке роздратування викликає ту чи іншу відповідь нервової системи — рефлекс. Рефлекси бувають прості і складні. У ході дослідів Сєченов установив, що мозок може затримувати збудження. Це було абсолютно нове явище, яке отримало назву «сєченовского гальмування».
Відкрите Сєченовим явище гальмування дозволило встановити, що вся нервова діяльність складається з взаємодії двох процесів - збудження і гальмування. Сєченов експериментально довів, що якщо у собаки вимкнути нюх, слух і зір, то вона буде весь час спати, оскільки в її мозок не буде надходити ніяких сигналів із зовнішнього світу. Ця стаття відразу ж, як свідчать сучасники, стала відомою в самих широких колах російського суспільства. Не дивно, що матеріалістичні погляди Сєченова викликали переслідування з боку влади. Він піддався судовому переслідуванню. Сєченов надзвичайно спокійно зустрів звістку про спробу порушення проти нього судову справу. На запитання друзів про адвоката, який захищатиме його на суді, Сєченов відповів: «Навіщо мені адвокат? Я візьму з собою до суду жабу і виконаю перед суддями всі мої досліди: нехай тоді прокурор спростовує мене ».
Очевидно, боязнь остаточно оскандалитися в очах російського суспільства, та й усієї Європи, змусило царський уряд відмовитися від судового процесу над автором «Рефлекс» , дозволити видання книги. Проте великий фізіолог, краса і гордість Росії, на все життя залишився для царського уряду «політично неблагонадійним».
У 1866 році виходить з друку класична праця Сєченова «Фізіологія нервової системи»
Особливу важливість у «Фізіології нервової системи», як вважає відомий радянський психолог М.Г. Ярошевський, має висловлена тут ідея про саморегуляції і зворотних зв'язках, одна з генеральних сєченовских ідей, розвинена надалі кібернетикою. Ця ідея призвела Сєченова до поняття про сигнал і про рівень організації сигналів як регуляторів поведінки.
Нервову систему вивчав Сєченов і під час річного відпустки в 1867 році; більшу частину цієї відпустки він провів у Граці, в лабораторії свого старого друга професора Роллета. Навіть відпустку Іван Михайлович завжди використовував для роботи.
Після десяти років праці він пішов з академії і деякий час працював у лабораторії, якою керував Д.І. Менделєєв. Потім протягом кількох років був професором Новоросійського університету.
  У вересні 1869 року він став членом-кореспондентом Імператорської Санкт-Петербурзької академії наук.
   Навесні 1876 Сєченов знову приїхав до міста на Неві і вступив на посаду професора кафедри фізіології фізико-математичного факультету Петербурзького університету. Незважаючи, однак, на ці труднощі, Сєченов розгорнув тут різноманітні фізіологічні дослідження і отри-мав цінні результати. Він в основному завершив свої роботи, пов'язані з фізико-хімічними закономірностями розподілу газів у крові і штучних сольових розчинах, а в 1889 році йому вдалося сформулювати «рівняння Сєченова» - емпіричну формулу, яка пов'язує розчинність газу в розчині електроліту з його концентрацією. Це рівняння і зараз знаходиться на озброєнні науки.
До цього часу відноситься початок вивчення газообміну людини. У Сєченова, як і у широкої наукової громадськості, великий інтерес викликала сенсація тих років - політ трьох французьких повітроплавців на аеростаті «Зеніт», що піднялися на висоту 8 кілометрів. Однак політ цей завершився трагічно: двоє повітроплавців загинули від задухи. Сєченов проаналізував причини їх загибелі і в грудні 1879 року в доповіді на VI з'їзді природодослідників і лікарів висловив думку про особливості фізіологічних процесів, що протікають в людському організмі при зниженому тиску повітря.
Виключно обдарований і яскрава людина, прогресивний по своїм науковим поглядам і громадським переконанням, блискучий лектор, Сєченов користувався величезним авторите-том серед студентів, але начальство його не терпіло.
Ось і тепер він змушений покинути Петербург. «Я вирішив замінити професорство скромнішим приват-доцентством в Москві», - з іронією написав Сєченов.
Восени 1889 року вихованець Московського університету, славетний вчений повернувся сюди, в рідні пенати. Проте як і раніше вченому створювали перепони, всіляко перешкод-жали його науковій роботі. Але відмовитися від дослідницької роботи він не міг. Дуже добре розумів настрій Сєченова його давній друг Карл Людвіг, в той час професор Лейпцизького університету, сказав своєму маститому учневі, що, поки він живий, в його лабораторії завжди буде кімната для російського фізіолога. І Сєченов, позбавлений майже на три роки можливості займатися справою свого життя, фізіологічними дослідженнями, майже погодився працювати в лабораторії Людвіга, а в Москві читати тільки лекції.
  Однак помер професор фізіології Шереметьєвський, з'явилася вакансія, і в 1891 року Сєченов став професором кафедри фізіології Московського університету.
Сєченов починає дослідження з газообміну, конструюючи ряд оригінальних приладів і розробляючи власні методи вивчення обміну газів між кров'ю і тканинами і між організмом і зовнішнім середовищем. Зізнаючись, що «дослідження дихання на ходу було завжди моєю мрією, що здавалася до того ж нездійсненним», Сєченов вивчає газообмін людини в динаміці.
Як і раніше велику увагу приділяє він нервово-м'язовій фізіології. Виходить з друку його узагальнююча капітальна праця «Фізіологія нервових центрів».
 У грудні 1901 року Сєченов залишив викладання на кафедрі фізіології Московського університету і пішов у так звану чисту відставку, тобто відмовився читати навіть приватні курси.
2 (15) листопада 1905 Іван Михайлович помер.