Полотно относится к позднему периоду творчества Ильи Репина, когда он жил в «Пенатах» и исполнил ряд портретов известных людей, гостивших в его доме.

Изображен Иван Петрович Павлов (1849–1936) – физиолог, создатель учения о высшей нервной деятельности человека, действительный член Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии. В 1920-е годы он жил летом неподалеку от «Пенат», в поселке Келомякки (Комарово). Павлов принимал у себя Репина и бывал в его доме; близкие по возрасту, они много общались. Ученый собирал коллекцию картин передвижников и высоко ценил творчество художника.

Портрет написан в августе 1924 года, когда Репин праздновал свое восьмидесятилетие. Как обычно, сеансы позирования сопровождались неторопливой беседой, что позволяло художнику почувствовать и передать эмоциональное состояние модели.

Создавая портрет, живописец спрашивал Павлова о жизни Петербурга, по которому тосковал. Разговор с ученым не мог не увлечь его, как увлекал и других современников. Михаил Нестеров писал, что произносящий страстные речи Павлов мало напоминал свои официальные фотографии: «Целый вихрь слов, жестов понесся, опережая друг друга <… > Страстная динамика, какой-то внутренний напор, ясность мысли делали беседу с Иваном Петровичем увлекательной…» Широкая живопись пастозными, динамичными, разнообразными по форме красочными мазками, поправки в области контуров изображения отражают атмосферу непринужденной беседы, яркость темпераментов модели и автора, импровизационный характер работы художника над полотном. «Портрет вышел бодрый и, знаете, светлый такой», – вспоминал Павлов.

Для позирования ученый надел по просьбе художника врачебный халат. Его белый цвет стал камертоном красочной гаммы полотна, своеобразной метафорой мудрости знаменитого физиолога. Сочетание голубоватых и охристых мазков, обогащающих колорит портрета, сближает его с тональностью выцветшей фрески.

В 1927 году автор подарил портрет Обществу художников имени Репина. Вероятно, тогда он закрасил свою подпись вверху справа как нарушающую ритмику композиции: сомнений в авторстве дарителя у членов общества, учеников Репина, не было.

Игорь Грабарь, ученик и биограф художника, отмечал, что на портрете переданы характер и «общий облик» Павлова, «смелая уверенная манера» выделяет это полотно среди ряда поздних работ Репина.