Музей Павлова создан 6 марта 1946 года выездной объединенной сессией Академии наук СССР и Академии медицинских наук СССР 6 марта 1946 года, в связи с десятой годовщиной со дня смерти ученого.
В 1974 году, к 125-летию со дня рождения И. П. Павлова, состоялось торжественное открытие научной экспозиции, повествующей об открытиях ученого в области физиологии пищеварения, кровообращения и высшей нервной деятельности, разместившейся в этом доме. С этого момента за новым домом, включенным в музейный комплекс, получил гордое название - Дом науки.
30 ноября 1993 года музею был присвоен статус "Мемориальный музей-усадьба академика И.П. Павлова".
В 2007 году в состав музея вошло административное здание музея, сейчас здесь работает Научный центр по сохранению и пропаганде Павловского наследия. Здесь проходят научные конференции, семинары, мероприятия.
В 2009 году музей стал дипломантом Национальной туристской премии имени Ю. Сенкевича в номинации "Лучший региональный музей".
В 2025 году там прошло более 6 тысяч экскурсий, свыше 500 мероприятий, которые посетили более 120 тысяч человек.