Улица Павлова ранее носила название Никольская, так как выходила к Никольской церкви (Старо-Вознесенская, Николовысоковская, Николы Долгошеи), построенной в 1566 г. До нее на этом месте была церковь Вознесения Господня. В XVII в. к храму пристроена огромная апсида, а в XVIII в. устроен придел в честь Николая Чудотворца. Капитально церковь реконструирована в 1904 г. Из-за того, что над алтарной частью купол был выше купола над колокольней, церковь в народе прозвали «Никола Долгошея», а после — «Никола Высокий», потому что, как пишет Д.Д. Солодовников: «Архиепископу Гавриилу показалось неприлично говорить «Никола Долгошея», поэтому он в 1845 г. приказал называть эту церковь Николовысоковской». В Николовысоковском храме служил отец И.П. Павлова — Петр Дмитриевич.
Ныне частично разрушенное здание храма находится на территории Государственного Рязанского приборного завода, в проходную которого упирается современная улица Павлова.
В 1919 г. улица переименована в улицу Карла Маркса, с 1964 г. названа в честь первого русского Нобелевского лауреата, физиолога, академика И.П. Павлова.
В доме № 25, в котором родился и вырос будущий академик, находится «Мемориальный музей-усадьба И.П. Павлова», открытый 6 марта 1946 года. Дом является усадебной постройкой начала XIX в. Он был поставлен дедом ученого по материнской линии. С 1849 г. дом и усадьба стали принадлежать Петру Дмитриевичу Павлову — отцу ученого. В 1888 г. отец Ивана Павлова построил рядом второй дом, который Лидия Петровна Андреева — сестра ученого — получила в наследство в 1900 г. В этом доме к 125-летию со дня рождения И.П. Павлова в 1974 г. была открыта научная экспозиция. Усадьбу Павловых составляют два деревянных дома, выходящие фасадами на красную линию улицы, объединенные общим парадным подъездом и большим двором, хозяйственные постройки (пять срубов, поставленных вплотную друг к другу в один ряд), которые замыкают двор, и простирающийся за ними сад.
В настоящее время восстановлена вся павловская усадьба: два дома (дом родителей и дом сестры ученого), объединенные общим двором, хозяйственные постройки, летний дом-беседка, баня, колодец, площадка для игры в городки и большой фруктовый сад.
В центре усадьбы установлен бюст ученого, за ним дом-беседка, которая в семье Павловых использовалась в качестве летней дачи. Тут прятались от зноя, пили чай на веранде после игры в городки. Для любимой игры Павловы оборудовали площадку, на ней и сейчас проводятся городские чемпионаты по городкам, в том числе — розыгрыш Кубка Павлова.
В центральной части экспозиции — родительском доме — 12 комнат. В большинстве из них сохранилась оригинальная обстановка и вещи семьи Павловых. В музее регулярно проходят выставки, концерты, музыкальные вечера, научные конференции и симпозиумы.
Традиционными в деятельности музея стали циклы мероприятий: «Февральская неделя памяти» — цикл, посвященный памяти ученого, и «Павловская неделя» — цикл, посвященный дню рождения И.П. Павлова, а также культурно-образовательные программы для детей и взрослых. Музей является памятником федерального значения и членом Ассоциации музеев России.
Особняк на пересечении улиц Московской (Первомайский проспект) и Никольской (Павлова) построен в 1887 г., в 1890 г. принадлежал купцам Юкиным, затем приобретен Ф.И. Масленниковым и принадлежал ему до 1917 г. Нарядные лепные фасады основного просторного корпуса и флигеля, оригинальная башенка-шпиль над парадным входом делают архитектуру этого дома очень похожей на здание Земельного банка на Астраханской улице. В настоящее время здесь размещается комендатура Рязанского гарнизона. На здании установлена информационная доска с текстом: «Улица Павлова. Названа в честь выдающегося физиолога, первого русского лауреата Нобелевской премии, академика РАН, уроженца г. Рязани Ивана Петровича Павлова (1849 — 1936 гг.)».
С именем купцов Масленниковых связана история старообрядчества в Рязанской губернии. Ф.И. Масленников был председателем совета Рязанской общины старообрядцев и на свои деньги построил старообрядческую церковь в честь иконы «Всех скорбящих радости» рядом со Скорбященским кладбищем. Это первая и единственная старообрядческая церковь Рязани.
На улице Павлова находился казенный винный склад. В 1914-1917 гг. в здании размещался военный лазарет. До 2000-х гг. здесь функционировал известный за пределами области Рязанский ликеро-водочный завод. В настоящее время здание частично разрушено.
Часть улицы Павлова является пешеходной. Несколько лет подряд к дню рождения академика музей проводит «Праздник улицы Павлова».