Родился в городе Царицыне, ныне Волгоград, в семье железнодорожного рабочего.

В первые годы советской власти - комиссар по печати и главный редактор газеты «Красный Дон» в городе Новочеркасске, ныне Ростовской области.

С 1921 по 1930 год жил в Петрограде (Ленинграде), окончил Ленинградский институт медицинских знаний (1926). С 1921 года работал в институте мозга под руководством В.М.Бехтерева, в  1922-1930 годы - в Военно-медицинской академии в лаборатории И.П.Павлова.

С 1930 по 1935 год - профессор кафедры физиологии Горьковского медицинского института.

С 1935 года в городе Москве. Создал и возглавил Отдел общей физиологии высшей нервной деятельности во Всесоюзном институте экспериментальной медицины (ВИЭМ). 

С 1936 по 1940 и с 1953 по 1955 год руководил кафедрой физиологии и патологии высшей нервной деятельности Центрального института усовершенствования врачей. В 1938-1941 годы - руководитель психоневрологического сектора Центрального нейрохирургического института.

Осенью 1941 года вместе с ВИЭМ был эвакуирован в Томск, был руководителем нейрохирургического отделения травм периферической нервной системы. В 1942 году вернулся в Москву и был назначен заведующим физиологической лабораторией в Институте нейрохирургии. 

С 1944 по 1950 год - директор института физиологии АМН СССР.

В 1950 году на научной сессии АН и Академии медицинских наук СССР, посвящённой проблемам физиологического учения И.П.Павлова, его исследовательская деятельность была оценена как не отвечающая задачам развития Павловского наследия, и он был вынужден оставить свой институт.

С 1950 по 1955 год заведовал кафедрой физиологии Рязанского медицинского института.

В 1955 году вернулся в Москву и возглавил Сеченовский физиологический институт и кафедру нормальной физиологии в 1-м Московском медицинском институте (ныне Московская медицинская академия) им. И.М.Сеченова.

Академик АМН СССР (1945). Академик АН СССР (01.07.1966).

Лауреат Ленинской премии (1972) - за монографию «Биология и нейрофизиология условного рефлекса».

Жил в городе Москве, похоронен на Новодевичьем кладбище.

Награды: ордена Ленина (1966); Трудового Красного Знамени (1961, 1966);"Знак Почёта" (1943); медали, в том числе Золотая медаль им. И.П.Павлова (1967).

Память: Нижний Новгород, Нижегородский район, площадь Минина и Пожарского, 10/1 (главный корпус Нижегородской государственной медицинской академии) - памятная доска (1978).