巴甫洛夫在大學不僅學習生理學，同時還刻苦學習其他課程。當時俄國著名化學家門捷列夫在彼得堡大學教化學課，巴甫洛夫也常常去聽他的課。他不但專心地聽門捷列夫講化學課，還目不轉睛地注視門捷列夫精彩的化學實驗。
巴甫洛夫在讀大學四年級的時候，就完成了第一篇科學論文，他因此而獲得了金質獎章。1875年，巴甫洛夫以優異的成績，獲得了自然科學碩士學位。
大學畢業後不久，巴甫洛夫又考人了外科醫學科學院，在那裏學習醫學。他學醫學並不是為了要當醫生，而是為了在做生理實驗時，有高超的外科手術技巧。這時，他的老師齊昂教授擔任了該學院生理學教研室主任。齊昂教授一直很欣賞巴甫洛夫，從此以後，巴甫洛夫一邊學醫，一邊正式開始了他幾十年的生理學實驗研究工作。
巴甫洛夫開始從事科研實驗時，先後給齊昂教授、斯齊莫維奇教授和鮑特金教授當助手。直到1890年，巴甫洛夫擔任了軍事醫學院的教授，5年之後又調到該學院生理學教研室擔任領導工作。以後的幾十年，他獨立領導科學實驗工作，並培養了許多年輕的科學家，完成了許多生理學方麵的重要研究。
一天上午，巴甫洛夫正聚精會神地做著實驗，這是給胰腺做的一個難度很大的手術。突然，實驗室的門被打開了，一位頭發花白的老人走進來，問道：“喂，年輕人，請告訴我你們院長在哪裏?”
“請您小聲點，您沒有看到我在作實驗嗎!”巴甫洛夫回答說，“我不知道院長在什麼地方，總之，他沒有到這裏來。”
來者這時才仔細地打量了一下這位年輕人，見他為了對付眼前的實驗，除了把左右手都用上外，還用上了嘴巴以及一隻腳。
“要不要我幫助你一下?”
“不要!”巴甫洛夫斬釘截鐵地說，同時抬起頭來把來人看了一眼，“啊”了一聲，嘴巴裏含的一根線掉在桌上，原來與他講話的是當時俄國最傑出的醫學家鮑特金教授。
“教授，您請坐。”巴甫洛夫有點歉意地說，“我不知道您來。”
“是的，很對不起，我確實沒有事先通知您，說我要來。”鮑特金教授說，“你在做什麼?”
“我在給胰腺做一個長期導管。”
“你為什麼要這樣做?”
“我準備對胰腺進行一些研究，特別是胰腺上神經的作用。”
“你為什麼對這一點感興趣?”
“我認為，不搞清楚神經的作用就無法解釋胰腺的功能。”
“為什麼?”教授並沒有放過巴甫洛夫，看來他是非要打破砂鍋問到底不可。巴甫洛夫對於這第三個為什麼是回答不了的，但是，他沒有慌張，也沒有造假，他說：
“教授，這一點正是我想搞清楚的問題，請留給我以後再回答。”
鮑特金神情嚴肅地看了看年輕人，想搞清楚對方的回答是不是負責的，當他覺得滿意時，說道：“很好，我等待著你的答案。但是，年輕人，以後對客人應該客氣點。”
從此，鮑特金教授一直關注著這位年輕人的一舉一動。當巴甫洛夫完成了長期胰腺導管手術的論文後，他一字一句地進行審閱，並在當年，他破例地邀請巴甫洛夫到他的實驗室裏工作。巴甫洛夫十分高興地接受了鮑特金教授的邀請，他認為能在鮑特金教授的指導下進行工作，是莫大的幸福。
鮑特金教授當時在醫學上已經獲得了輝煌的成就。他認為神經係統在人體和動物體的活動中起著主要作用。神經係統對於許多器官的支配作用和調節作用，當時尚處在朦朧之中，還沒有被人們清楚地認識。鮑特金的神經論觀點，在科學上是一種新的見解。後來，經過巴甫洛夫的發展和其他科學家的共同努力，神經論成了現代生理學中一個基本原理。一天清晨、巴甫洛夫很早到了實驗室，繼續他頭一天深夜沒有做完的實驗。要完成這次實驗，至少要用5天的時間。鮑特金教授推門走進來：“喂！巴甫洛夫，你在幹什麼?”
“教授，我在做實驗。”
“那麼，白天你在做什麼?”
“白天我也在做實驗。”
“那麼，晚上你在做什麼?”
“昨天晚上我也在做實驗。”巴甫洛夫沒有明白教授問話的含義。
“那麼，”教授毫不放鬆地問道：“你什麼時間休息？什麼時間思考?”不容巴甫洛夫申辯，教授繼續大聲地說道：“思考！思考！你要知道，對於一個科學工作者最重要的就是思考!”
教授的這個批評，雖然冤枉了巴甫洛夫，但是巴甫洛夫一點兒也不感到委屈，相反地他始終牢記住鮑特金的這個教導。依靠實驗和思考，他在以後的幾年中，發現了胰腺的分泌神經，對他曾經答應要回答教授的問題，做出了滿意的答案。他又在心髒神經中發現了一種特殊的神經纖維，這種神經隻能控製心跳的強度，而不影響心跳的快慢。科學界的人士為了表彰巴甫洛夫的這個新發現，把這種神經稱為“巴甫洛夫神經”。