Tra il 1843 e il 1848 frequentò la scuola militare di ingegneria di Pietroburgo e studiò dal 1850 al 1856 medicina all'Università di Mosca. Finiti gli studi, Sečenov ottenne una borsa di studio, grazie alla quale entrò in contatto con i maggiori scienziati europei dell'epoca, come Johannes Peter Müller, Emil Du Bois-Reymond, Hermann von Helmholtz a Berlino, Felix Hoppe-Seyler a Lipsia, Carl Ludwig a Vienna e Claude Bernard a Parigi.