У отца была хорошая библиотека, в которой Иван обнаружил книгу Г. Г. Леви «Физиология обыденной жизни». Книга так глубоко запала ему в душу, что, будучи уже взрослым, «первый физиолог мира» при каждом удобном случае на память цитировал оттуда целые страницы.
Отец приучил читать книги дважды, чтобы запомнить и суметь сделать правильный вывод.
Увлекшись естественными науками, Павлов в 1870 году поступил в Петербургский университет на естественное отделение физико-математического факультета.
Павлов был страстно увлечен учебой в университете. Этому во многом способствовал отличный профессорско-преподавательский состав физико-математического факультета в тот период времени. Так в числе профессоров естественного отделения факультета были выдающиеся химики Д. И. Менделеев и А. М. Бутлеров, знаменитые ботаники А. Н. Бекетов и И. П. Бородин, известные физиологи Ф. В. Овсянников и И. Ф. Цион. Эти преподаватели имели огромный научный авторитет и каждый обладал выдающимся лекторским талантом.
Когда Иван прочитал книгу И. Сеченова «Рефлексы головного мозга», его интерес к физиологии возрос еще больше. Но освоить этот предмет ему удалось только после того, как он прошел обучение в лаборатории И. Циона, изучавшего роль депрессорных нервов.
Первое научное исследование Павлова – изучение секреторной иннервации поджелудочной железы. За нее И. Павлов и М. Афанасьев были награждены золотой медалью университета.
После получения в 1875 году звания кандидата естественных наук Павлов поступил на третий курс Медико-хирургической академии в Санкт-Петербурге (реорганизованной впоследствии в Военно-медицинскую). Затем Павлов становится ассистентом в Ветеринарном институте, где в течение двух лет продолжал изучение пищеварения и кровообращения.
Летом 1877 года он работал в городе Бреслау, в Германии с Рудольфом Гейденгайном, специалистом в области пищеварения. В следующем году Павлов начал работать в физиологической лаборатории при его клинике в Бреслау, еще не имея медицинской степени, которую Павлов получил в 1879 году. В том же году Иван Петрович начал исследования по физиологии пищеварения, которые продолжались более двадцати лет. Многие исследования Павлова в восьмидесятых годах касались системы кровообращения, в частности регуляции функций сердца и кровяного давления.
В 1883 году Павлов защитил диссертацию на соискание степени доктора медицины, посвященную описанию нервов, контролирующих функции сердца. Он был назначен приват-доцентом в академию, но вынужден был отказаться от этого назначения в связи с дополнительной работой в Лейпциге с Рудольфом Гейденгайном и Карлом Людвигом, двумя наиболее выдающимися физиологами того времени. Через два года Павлов вернулся в Россию.