Впоследствии И. П. Павлов писал: «Человек сам должен выбросить мысль о боге… Это должно естественным образом протекать. Я, ведь, сын священника, вырос в религиозной среде, однако, когда я в 15–16 лет стал читать разные книги и встретился с этим вопросом, я переделался». В своей краткой автобиографии он пишет, что под влиянием литературы шестидесятых годов прошлого столетия, в особенности Д. И. Писарева, его умственные интересы обратились в сторону естествознания, и он стал его изучать.
В 30 лет И. П. Павлов уже последовательный атеист. Об этом свидетельствует его переписка с невестой С. В. Карчевской. Он рекомендовал ей читать атеистическую литературу и предлагал обратить особое внимание на атеистические доводы Ивана Карамазова в романе Ф. М. Достоевского. Силой своей аргументации атеист Карамазов вынудил религиозно настроенного брата Алексея согласиться с тем, что «и действительно, человек выдумал бога». 11 декабря 1880 года И. П. Павлов пишет невесте: «Сам в бога не верую, никогда не молюсь».
В 1928 году Иван Петрович писал священнику Е. Кондратьеву: «Я сам неверующий…».
В 1932 году И. П. Павлов дает согласие стать почетным членом английского атеистического общества «Рационалист» при условии, чтобы борьба с религией проходила путем просвещения. «Хочешь отнять у них эту опору, — пишет он, — так замени ее другой опорой — просвещением». Опору своего атеизма он видел в науке. «Спасибо науке! — говорит он. — Она не только наполняет жизнь интересом и радостью, но дает опору и чувству собственного достоинства».
В 1935 году, возвращаясь из родного города Рязани, Иван Петрович посещает в Москве своего друга академика живописи М. Ф. Нестерова и вместе с ним отправляется в Колтуши. Здесь М. Ф. Нестеров пишет картину «И. П. Павлов в Колтушах», наблюдает опыты на собаках, беседует с Иваном Петровичем. Вот что писал Нестеров: «Опыты окончились, собачку увели, а мы остались продолжать беседу, которая незаметно перешла на отвлеченные темы, на „веру и неверие”. Иван Петрович был откровенный атеист. Наш Павлов, рожденный в духовной семье, уважавший своих дедов, отца, мать, в ранней своей поре, еще, быть может, в Рязани, а позднее в университете, в Медицинской академии, где в те времена господствовали материалистические теории, по склонности своей натуры проникся этими теориями, их воспринял со всем пылом своей природы, просолился ими, как то было с тысячами ему подобных».
С людьми, признающими первичность духа, мысли, ощущения, сознания, мышления, идею божества, бессмертия души — идеалистами всех мастей — И. П. Павлов вел упорную борьбу.