巴甫洛夫的父親還收藏了一些自然科學書籍。他閱讀的第一本有關生理學的書，就是他偶然在父親的書架上發現的。這本書是一本生理學的通俗讀本，書名叫《日常生活中的生理學》，作者是英國生理學家路易士。這本書中所講的事是那麼新鮮，那麼有趣，使14歲的巴甫洛夫愛不釋手。直到巴甫洛夫成為全世界著名的生理學家之後，仍珍惜地保存著這本書，因為這本小冊子，喚起了他對自然科學的興趣。後來，他又閱讀了俄國科學家謝切諾夫的名著《大腦反射》，這本書更是深深地吸引了巴甫洛夫。謝切諾夫被尊稱為生理學之父，因為他是在生理學史上，第一個對動物大腦進行實驗的人。
《大腦反射》和那本生理學的小冊子，對巴甫洛夫產生了很大的影響。巴甫洛夫從此把興趣轉向自然科學，特別是生理學更使他人迷。他想方設法找尋這類書籍來閱讀，可是當時俄國的科學還比較落後，從事科學研究的人很少，而且沒有什麼社會地位，當然自然科學類的書也就很難找到。在當時梁讚神學校的圖書館裏，有上千冊圖書，可是自然科學書總共隻有3本，而且還都是德文的。但這些都不能阻止巴甫洛夫對自然科學知識的迫切渴求。
在神學校裏，巴甫洛夫是品學兼優的高材生，每次考試各門功課都名列前茅。
可是，巴甫洛夫對學校裏所學的那些東西，越來越感到枯燥乏味，他越來越不想在神學校裏繼續讀那種無味的書了。
就在他讀中學的最後一年，他聽到了中學沒畢業也可以考大學的消息，這消息使他興奮極了。他決定離開神學校到當時俄國的首都一一彼得堡去上大學，到那裏去學他最感興趣的生理學。
巴甫洛夫拿定主意之後，他很擔心會遭到父親的反對。其實，他的擔心是多餘的。至於母親那裏，他拿得準，隻要父親同意了，母親對自己的決定是不會反對的。
一天，吃晚飯時，巴甫洛夫決定把自己的想法告訴父母。
“爸爸，”巴甫洛夫說，同時拿眼睛不安地看了看身邊的母親：“我不準備在神學院讀下去，我想現在就去彼得堡上大學。”
父親嚴厲地看了看兒子，把手中的茶杯放到桌子上：“為什麼這樣著急呢?先念完神學院不可以嗎?”
“爸爸，我不能浪費時間了，有很多東西我需要知道。”
巴甫洛夫低聲地說，可以聽出他的話是經過深思熟慮的。
父親拿起茶杯喝了一口茶，慢條斯理地問道：“你要知道什麼呢?”
“我要知道人是怎樣構成的。”
“想當個醫生嗎?”
父親對兒子的回答沒有感到意外，以為兒子將來想行醫。
“不！”
兒子的回答使父親有點吃驚。
“那麼，如果你不想做個醫生的話，你為什麼要知道人是怎樣構成的呢?”
“為了造福於人類。”
這句話是多麼平凡而深刻啊！父親被兒子認真的精神感動了：“你說得很對，孩子，但是，你能夠做到你所說的話嗎？”
“我會下功夫的。”
“那麼，你已經想好了。”
“是的，我已經想好了。”
這時，父親微笑地站了起來，他認為兒子的決定是他自己的權利，做父母的隻能對自己孩子的行動做出適當的引導，而不能包辦代替，橫加幹涉，並且，他認為，兒子的決定是正確的。
“好吧，那就這樣決定了。你應該像古代的勇士那樣去攻克科學的城堡,
巴甫洛夫高興得差點跳起來，在高興之餘，他更多地明白：應該刻苦學習，才不會辜負父母的期望。巴甫洛夫很看重自己的誓言，他不輕易許願，一旦許了願，那就一定要去實現。
幾天以後，當太陽升上了地平線的時候，巴甫洛夫吃過了母親給他準備的一頓美餐，向父親、母親、弟弟們一一告別。幾位要好的朋友，也趕來送行。在大門口，他又向父母鞠躬辭行。在梁讚通往彼得堡的大路上，巴甫洛夫從夥伴的手中接過行李，大踏步地一直向前走去。
再見了，親愛的家鄉。
家鄉是可愛的，但是好男兒誌在四方，猶如鴻雁高飛，總不能隻在北邊的天空一樣。巴甫洛夫也要展翅高飛了。
1870年，巴甫洛夫告別了父母和夥伴們，離開生活了20年的家鄉，帶著簡單的行李，隻身來到彼得堡。他考入彼得堡大學物理數學係的自然科學分科，在那裏學習他向往已久的生理學。
由於家境貧寒，但學業優良，所以巴甫洛夫在大學讀書期間，一直是獎學金的獲得者。雖然獎學金的數目少得可憐，但對於從小養成吃苦耐勞品質的巴甫洛夫來說，已經感到滿足了。
巴甫洛夫的生理學老師，是伊，法齊昂教授。他是一位天才的科學家。他講課時，能用簡明的語言，表述最複雜的生理學問題。他的講課風格影響了巴甫洛夫，後來巴甫洛夫走上講壇之後，講課時也繼承了這個優點。