За время работы в лаборатории Павлову удалось сэкономить небольшое количество денег. Летом 1877 г. он по рекомендации Устимовича побывал в Бреславле, где познакомился с работами известного физиолога профессора Р. Гейденгайна. Поездка за границу расширила научный кругозор Павлова и положила начало дружбы будущего ученого с Гейденгайном.
Исследования Павлова по физиологии кровообращения, проведенные в лаборатории Устимовича, привлекли внимание физиологов и врачей. Молодой ученый становился известным в научных кругах. В декабре 1878 г. знаменитый русский клиницист профессор С. П. Боткин по рекомендации доктора И. И. Стольникова пригласил Павлова работать к себе в клинику.. Формально Павлову предложили занять должность лаборанта физиологической лаборатории, на деле же он должен был стать ее руководителем. Павлов охотно принял это предложение не только потому, что оно исходило от известного ученого. Незадолго до этого было закрыто ветеринарное отделение Медико-хирургической академии и Павлов лишился возможности проводить опыты в лаборатории Устимовича.
Научная работа отнимала у Павлова много сил и времени. Примечательно, что из-за интенсивной научной работы Павлов и выпускные экзамены в академии сдал с годичным запозданием — в декабре 1879 г., получив степень «лекаря с отличием». В январе 1880 г. И. П. Павлов за свои научные работы был удостоен золотой медали. Спустя некоторое время он по конкурсу оставляется при академии для трехгодичного усовершенствования с зачислением на должность «врача для командировок» при клинике Боткина. С этого момента он целиком переключился на исследовательскую работу в лаборатории при клинике. Интересно отметить, что в соответствии с существующими в те времена порядками Иван Петрович одновременно формально был назначен лекарем 32-го Кременчугского полка.
Более чем десятилетняя работа в лаборатории при клинике Боткина занимает особое место в научной жизни Павлова. И не удивительно, что Боткин оказал сильное влияние на формирование его научных взглядов и установок.
Профессор С. П. Боткин по праву считается одним из самых крупных клиницистов России. Ученик знаменитого французского физиолога Клода Бернара, он был убежденным сторонником тесного союза между клинической медициной и физиологией, считая, что физиологический эксперимент на животных необходим при разрешении многих сложных и неясных вопросов клинической медицины. В частности, он стремился выяснить свойства и механизм терапевтического действия новых или уже применяемых в медицине лекарственных препаратов растительного или иного происхождения. Многие из работающих при его клинике и при Институте усовершенствования врачей по его заданию, но в основном под руководством Павлова исследовали как раз такого рода вопросы в условиях эксперимента на животных. Боткин как ученый и клиницист был выдающимся представителем прогрессивного и довольно распространенного в те времена научного направления, известного под названием «нервизма» и признающего решающую роль нервной системы в регуляции функций здорового и больного организма.