João Pavão Martins licenciou-se em Engenharia Mecânica no Instituto Superior Técnico em 1976. Ainda estudante, encetou a sua actividade docente no IST em 1974. Com uma bolsa Fulbright estudou na State University of New York at Buffalo, onde se Doutorou em Inteligência Artificial em 1983. Obteve o título de Agregado no Instituto Superior Técnico em 1991, sendo Professor Catedrático do IST desde 1993.

Em 1984 iniciou a criação de um grupo de estudantes do IST abordando o ensino e a investigação em Inteligência Artificial, muitos dos elementos deste grupo são atualmente docentes dos departamentos de Engenharia Informática e de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores.

Foi um dos proponentes da criação da Licenciatura em Engenharia Informática e de Computadores (LEIC) no IST, da qual foi coordenador entre 1997 e 2002. Na LEIC foi o responsável da área científica de Inteligência Artificial desde a sua criação até à sua jubilação em 2022.

Foi um dos proponentes da criação do Departamento de Engenharia Informática do IST, de que foi Presidente entre 2003 e 2004 e entre 2009 e 2010 e Vice-Presidente entre 1998 e 2002.

Em 1986 foi um dos fundadores da SISCOG, a primeira empresa portuguesa dedicada ao desenvolvimento de aplicações de Inteligência Artificial, a empresa decana da comunidade Spin-off IST, da qual é Administrador desde a sua fundação.

É considerado o “pai” da Inteligência Artificial no Instituto Superior Técnico. Em 1997, 2003 e em 2012 recebeu o prémio Innovative Application Award atribuído pela Association for the Advancements of Artificial Intelligence (AAAI), da qual é membro sénior. É autor de um livro publicado pela Wadsworth Publishing Co. (EUA), de um livro publicado pela McGraw-Hill de Portugal, de um livro publicado pela College Publications (Reino Unido) e de quatro livros publicados pela IST Press, dois em co-autoria, bem como co-editor de várias atas de congressos internacionais.

Foi galardoado com a medalha de mérito científico em 2023, uma iniciativa do Ministério da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior. A Medalha foi entregue no decorrer do Encontro Ciência 2023.

A 29 de outubro de 2024 foi agraciado com a insígnia de Professor Emérito da Universidade de Lisboa.