Родился 13 августа 1829 г. (1 августа по старому стилю) в селе Теплый Стан Курмышского уезда Симбирской губернии (ныне - село Сеченово Нижегородской обл.) в семье дворянина Михаила Алексеевича Сеченова. Его мать - Анисья Георгиевна - бывшая крепостная.
В 1848 г. окончил Главное военно-инженерное училище (ныне - Военный инженерно-технический университет). В 1856 г. - медицинский факультет Московского университета (с отличием).
Доктор медицинских наук. В 1860 г. в Санкт-Петербурге в Императорской Медико-хирургической академии (впоследствии Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова) защитил диссертацию на тему "Материалы для будущей физиологии алкогольного опьянения".
В 1869 г. был избран членом-корреспондентом Императорской Санкт-Петербургской академии наук (ныне - РАН), с 1904 г. - почетный академик.
В 1848-1950 гг. служил под Киевом в резервном саперном батальоне. Уволился с военной службы в чине подпоручика.
В 1856 г. уехал в Германию, где в течение четырех лет работал в лабораториях немецких физиологов Феликса Гоппе-Зейлера и Эмиля Дюбуа-Реймона в Берлине, Отто Функе в Лейпциге, Карла Людвига в Вене, Германа Гельмгольца в Гейдельберге.
С 1860 по 1870 г. - профессор кафедры физиологии Императорской Медико-хирургической академии, организовал одну из первых российских физиологических лабораторий.
Во время годичных отпусков работал в Париже в лаборатории Клода Бернара (1862), в лаборатории физиолога Александра Роллета в австрийском городе Граце (1867-1868).
С 1871 по 1876 г. был заведующим кафедрой физиологии в Новороссийском университете в Одессе.
В 1876-1988 гг. - профессор физиологии Петербургского университета, где также организовал физиологическую лабораторию.
Одновременно читал лекции на Бестужевских высших женских курсах.
С 1889 г. занимал должность приват-доцента, с 1891 г. - профессора физиологии Московского университета. В 1901 г. вышел в отставку.
В 1903-1904 гг. преподавал в Москве на Пречистенских курсах для рабочих.
Иван Сеченов - основоположник учения о психической регуляции поведения, создатель первой в России физиологической научной школы. Впервые в истории обосновал рефлекторную природу сознательной и бессознательной деятельности. Показал, что в основе психических явлений лежат физиологические процессы, обосновал значение процессов обмена веществ в осуществлении реакций организма на раздражения. Заложил основы физиологии труда, возрастной, сравнительной и эволюционной физиологии. Исследовал дыхательную функцию крови.
Скончался 15 ноября (2 ноября по старому стилю) 1905 г. в Москве. Был похоронен на Ваганьковском кладбище, в 1940 г. его останки перенесены на Новодевичье кладбище.
Кавалер орденов Святого Станислава I степени, Святого равноапостольного Владимира III степени, Святой Анны III степени. За курс лекций "О животном электричестве" был удостоен Демидовской премии (1863).
Среди основных работ Сеченова: "Рефлексы головного мозга" (1863), "Физиология нервной системы" (1866), "Элементы мысли" (1878), "Физиологические критерии для установки длины рабочего дня" (1895), "Очерк рабочих движений человека" (1901) и др. Кроме того, Сеченов редактировал переводы книг зарубежных ученых. Так, в 1871-1872 гг. под его редакцией в России был опубликован перевод труда Чарльза Дарвина "Происхождение человека и половой отбор".
Был женат на Марии Александровне Боковой - дочери генерал-лейтенанта Александра Афанасьевича Обручева.