Первое высшее образование получил в Санкт-Петербургском военно-инженерном училище. Став военным инженером, он приехал в Москву, поступил на медицинский факультет Московского университета. Проучившись шесть лет, был отправлен за границу на два года для продолжения образования.
Успешно защитив докторскую диссертацию, работал в Санкт-Петербурге, а с 1889 года - в Московском университете сначала в должности приват-доцента, с 1891 года - в должности профессора, руководителя кафедры.
Главный труд великого русского физиолога - «Рефлексы головного мозга». Вместе со своим ближайшим помощником и учеником М.Н. Шатерниковым И.М. Сеченов в созданной им при кафедре лаборатории занимался исследованием движения газов в крови человека. Приборы чаще всего создавал и конструировал сам.
Труды И.М. Сеченова и М.Н. Шатерникова положены в основу учения о газообмене, имеющего огромное практическое значение для изучения энергетических затрат человека в разных видах физического и умственного труда.
Организованное И.М. Сеченовым изучение рабочих движений человека и восстановления работоспособности утомленного организма положили начало развитию в нашей стране физиологии трудовых процессов. Его статья «Физиологические критерии для установления длины трудового дня» (1895) стала первым в мировой литературе специализированным исследованием, посвященном научному решению вопроса о продолжительности рабочего дня.
В 1901 году И.М. Сеченов отказался от заведования кафедрой, но до конца жизни (1905) продолжал трудиться в лаборатории, которую содержал за свой счет.