Иван Михайлович родился 13 августа 1829 года в селе Теплый Стан (современное село Сеченово в Нижнегородской области России) в большой семье дворянина Михаила Алексеевича, который взял в жены свою бывшую крепостную крестьянку Анисью Георгиевну. Мать Ивана была впервые в этой местности обучена в монастыре грамоте и дала сыну домашнее образование. Она мечтала, чтобы ее сын стал в будущем профессором, что и случилось.
В 1848 году Сеченов окончил инженерное училище, получил в офицерском классе чин прапорщика и был направлен в резервный саперный батальон. Через два года уже подпоручик Сеченов поступил на медицинский факультет Московского университета. Получив до этой учебы инженерное и физико-математическое образование, в университете Иван Михайлович страстно увлекся философией, теологией, педагогикой, древней медициной, историей, а также психологией. Впоследствии он решил глубже изучить анатомию и физиологию.
Получив столь солидное образование, Сеченов в 1856-1859 годах работал в разных европейских лабораториях под началом известных ученых (естествоиспытателя Иоганна Петера Мюллера, психофизиолога Эрнста Вебера, физиолога и философа Эмиля Генриха Дюбуа-Реймона и др.). За границей Иван Михайлович использовал любую возможность получить новые знания, посещал курсы физики, аналитической химии и других наук. Здесь он также подготовил свою докторскую диссертацию о физиологии алкогольного опьянения, что стала одной из первых подобных научных работ на русском языке.
С 1860 по 1870 годы Сеченов работал в петербургской Медико-хирургической академии, но покинул ее в знак протеста против дискриминации прав женщин на образование (позднее он станет одним из основателей Бестужевских высших женских курсов, системы высшего образования для женщин в Российской империи). Возможно, дело было и в том, что его прогрессивные идеи в области физиологии многие считали в то время «душепагубным и вредоносным учением». В этот период он создал физиологическую лабораторию, одну из первых в России.
Свою научную, преподавательскую деятельность и экспериментальную работу Сеченов не прекращал до конца своей жизни, хотя его материалистические учения подверглись репрессиям со стороны церкви. Так, его труд «Рефлексы головного мозга» был сначала арестован, а потом запрещен для хранения в библиотеках. Несмотря на все это Иван Сеченов внес огромный вклад в развитие русской науки, и не только физиологии. Так, в 1866 году он сформулировал учение о саморегуляции и обратных связях, которое в дальнейшем было развито кибернетикой и теорией автоматического управления. За это иногда Сеченова называют даже «дедушкой» русской кибернетики.
Сеченов проводил исследования в очень широкой научной сфере, от чисто физических и химических до исследований в области научной психологии. Именно благодаря ему физиология стала клинической дисциплиной, которую используют врачи для постановления диагноза, лечения и реабилитации больных, он положил начало экспериментальным исследованиям нервной системы и головного мозга, создал рефлекторную теорию психической деятельности человека и животных, внес важный вклад в естественно-научное обоснование многих проблем психологии, став первым, кто четко сформулировал основополагающие принципы мышления человека и многое другое.
