Родился в семье причетника Томской епархии, в детстве отличался выдающимися способностями, в шесть лет самостоятельно научился читать, благодаря лицевым изображениям, висевшим в доме его отца, и знал наизусть все святцы, любому человеку мог назвать день ангела-хранителя, помнил когда какой святой вспоминается в Православной церкви. Местный правящий архиерей Агапит (Вознесенский), посещая свою епархию, встретился с ребёнком; поговорив с мальчиком Алексеем и убедившись в его способностях, архиерей подарил мальчику золотой.

После окончания в 1854 году Тобольской семинарии, поступил в Казанскую духовную академию, которую окончил в 1858 году первым магистром богословия. Был оставлен преподавать в ней литургику и каноническое право (первую свою лекцию Павлов прочитал 10 января 1859 года); магистр богословия (1860). Позднее — профессор канонического права Казанского, Новороссийского. С 1876 года — ординарный профессор кафедры церковного законоведения/церковного права юридического факультета Московского Императорского университета; заслуженный профессор Московского университета (с 1884).

Опубликовал в «Записках Казанского Университета» значительные статьи «О Кормчей…» (1864), «Личные отношения супругов по римскому праву» (1865), «Об участии мирян в делах церкви» (1866), «Первоначальный славяно-русский Номоканон» (1869), в «Записках Новороссийского Университета» — «Исторический очерк секуляризации церковных земель в России» (1871) и «Номоканон при Большом Требнике» (1872), в «Записках Академии Наук» — «Наказной список по Стоглаву» (1873). Отдельными изданиями вышли «50-я глава Кормчей Книги» (М., 1887) и «Книги законные, содержащие в себе в древнерусских переводах византийские законы» (М., 1888). Под редакцией Павлова вышел сборник «Памятники древне-русского канонического права» (1880, 2-е изд. 1910 под редакцией В. Бенешевича).

Дважды награждался Уваровской премией. Был почётным или действительным членом многих учёных обществ.

В. О. Ключевский полагал, что Павлов — «один из лучших знатоков канонического права в современной Европе».