Dmitry Grigorevich Pavlov werd geboren in Vanyukh (provincie Kostroma) op 23 november 1897. Hij kwam uit een boerengezin en gaf zich in 1914 vrijwillig op voor het leger van de tsaar om te vechten tegen de Duitsers in de Eerste Wereldoorlog. Tijdens de Eerste Wereldoorlog raakte Pavlov gewond en werd hij gevangengenomen door de Duitsers. Na de wapenstilstand die de nieuwe communistische Sovjetregering en de Duitsers overeenkwamen, keerde Pavlov terug naar de Sovjet-Unie. Vanwege zijn marxistische opvattingen werd Pavlov in 1919 lid van het Rode Leger waarmee hij deelnam aan de bloedige burgeroorlog.
Tijdens de burgeroorlog klom Pavlov snel op in de gelederen van het Rode Leger, zo groeide hij uit van pelotonscommandant tot bevelhebber van een regiment. Pavlov vocht tijdens de bloedige strijd tussen het Witte en het Rode Leger aan het Zuidelijk Front, het Zuidwestelijk Front en aan het front in Turkmenistan. Nadat het Rode Leger de binnenlandse strijd gewonnen had bleef Pavlov in dienst van het Rode Leger in Omsk waar hij een opleiding volgde bij de cavalerieschool.
Na voltooiing van deze opleiding ging hij in 1928 studeren aan de Frunze militaire academie te Moskou. Vervolgens kreeg Pavlov het bevel over verschillende cavalerie- en tankeenheden. Begin 1937 werd Pavlov instructeur van de pantsereenheden van het Rode Leger. Pavlov was één van de weinige officieren die ontsnapte aan de zuiveringen die Stalin doorvoerde in de militaire top van het Rode Leger. Pavlov behoorde tijdens de Spaanse Burgeroorlog tot de Sovjet-afvaardiging die meevocht aan de zijde van de Republikeinen. Maar de belangrijkste taak van Pavlov was om de Republikeinen militaire instructies te geven. Pavlov zelf was betrokken bij de slag om Guadalajara in maart 1937. Hij voerde tijdens deze tankslag een brigade van het Rode Leger aan tegen twee Italiaanse gemotoriseerde divisies, die bijna compleet vernietigd werden. Hij trok hieruit de conclusie dat de Franse manier om tanks te gebruiken, namelijk als rechtstreekse steun van de infanterie, de beste was en dat de theorie van de glubokaya operatsiya met gemotoriseerde pantsereenheden ondeugdelijk was. Na terugkomst in de Sovjet-Unie rapporteerde Pavlov zijn ervaringen aan Kliment E. Voroshilov die een toewendsel zocht om de denkbeelden van Tukhachevsky in discrediet te brengen. Kliment E. Voroshilov zorgde ervoor dat de mobiele formaties van het Rode Leger ontbonden werden en de tanks verdeeld werden over de infanteriedivisies. Pavlov werd zelfs uitgeroepen tot held van de Sovjet-Unie vanwege de succesvol verlopen tankslag in Guadalajara.
In december 1939 nam Pavlov deel aan de Winteroorlog tegen het nietige Finland. Daar bleken de strategieën met frontale aanvallen niet te werken en na de snelle Duitse overwinningen in 1940 werd besloten om het Rode Leger opnieuw te reorganiseren en de tanks weer in te delen in mobiele formaties. Door de annexaties van de Sovjet-Unie in 1940 schoof de grens ook verder op naar het westen. Het Rode Leger moest daarom zijn gefortificeerde gebieden verlaten en nieuwe posities aan de grens innemen, die nu direct tegen het Derde Rijk aanlag. Pavlov werd aangewezen als bevelhebber van het Speciaal Westelijk Militair District dat bestond uit het 3e, 4e, 10e en delen van het 13e Leger.
Toen de Duitsers op 22 juni 1941 de Sovjet-Unie aanvielen heerste er grote verwarring bij Pavlov en zijn staf. Communicatie was nauwelijks mogelijk en een effectieve tegenaanval al evenmin, aangezien de luchtmachteenheden al waren vernietigd voordat ze iets hadden kunnen ondernemen. De Duitse Legergroep Midden boekte snelle vooruitgang ten opzichte van het Westelijk Front (het Speciaal Westelijk Militair District werd op 22 juni 1941 omgedoopt in Westelijk Front) en op 28 juni waren er twee grote omsingelingen tot stand gekomen. Daarom werd Pavlov 29 juni opgevolgd door Jeremenko en gedwongen om naar Moskou af te reizen om zich te verantwoorden voor de zware nederlagen van de Sovjetstrijdkrachten.
In Moskou werd Pavlov met enkele leden van zijn staf ter dood veroordeeld vanwege 'verraad, incompetentie en lafheid'. De executies werden voltrokken op 16 oktober 1941.