Pavlov se narodil v Kostromské oblasti roku 1897. Když nacistické Německo napadlo Sovětský svaz, působil Pavlov jako velitel Západního frontu. V roce 1928 ukončil Frunzeho vojenskou akademii. Během španělské občanské války působil ve Španělsku jako vojenský poradce. Od roku 1937 vykonával funkci náčelníka Zbrojně – tankového úřadu armády. V zimě 1938 – 1939 se zúčastnil bojů proti finské armádě.

V roce 1940 byl jmenován velitelem Západního vojenského okruhu ( ten byl 23. června 1941 přejmenován na Západní front ), který pokrýval bialystocký výběžek a brestlitevskou oblast. V červnu 1941, se Pavlovovy jednotky střetly s německou 2. a 3. tankovou skupinou generálplukovníků Heinze Guderiana a Hermanna Hotha. Pavlov se snažil provést protiútok, avšak měl nedostatek tanků, z nichž polovinu ztratil hned prvního dne bojů. Dne 28. června se jeho obrana zhroutila a jeho samotného nahradil Jeremenko. Dimitrij Pavlov, jeho náčelník štábu a velitel 4. armády Korobkov byli odvezeni do Moskvy a zde v červenci 1941 za „neschopnost“ zastřeleni.