Грамоте Иван обучился примерно восьми лет, но в школу поступил с запозданием, лишь в 1860 году. Дело в том, что как-то, раскладывая для просушки яблоки на высоком помосте, восьмилетний мальчик упал на каменный пол, сильно ушибся и долго хворал.

По желанию своих родителей Павлов в 1860 году поступил в рязанское духовное училище, сразу во второй класс. Успешно окончив в 1864 году училище, он в том же году был принят в местную духовную семинарию.

В обширной отцовской библиотеке как-то Иван нашел книжку Г.Г. Леви с красочными картинками, раз и навсегда поразившими его воображение. Называлась она «Физиология обыденной жизни». Эта книга так глубоко запала ему в душу, что и, будучи уже взрослым, «первый физиолог мира» при каждом удобном случае на память цитировал оттуда целые страницы.

Увлекшись естественными науками, Павлов в 1870 году поступил в Петербургский университет на естественное отделение физико-математического факультета.

С деньгами было туго. Приходилось прирабатывать частными уроками, переводами. 15 сентября 1870 года Павлов подал на имя ректора следующее прошение: «По недостатку материальных средств я не могу вносить положенной платы за право слушания лекций, почему и прошу Ваше превосходительство освободить меня от нее. Свидетельство о моей бедности приложено в числе других документов к прошению от 14 августа о допущении к проверочному экзамену».

Его интерес к физиологии возрос после изучения книги И. Сеченова «Рефлексы головного мозга». Позднее ученый вспоминал: «…главным толчком к моему решению, хотя и не осознанному тогда, было давнее, еще в юношеские годы испытанное влияние талантливой брошюры Ивана Михайловича Сеченова, отца русской физиологии, под заглавием «Рефлексы головного мозга»». Помогло освоить ему этот предмет обучение в лаборатории И. Циона, изучавшего роль депрессорных нервов. Как завороженный, слушал студент Павлов объяснения профессора.

Первое научное исследование Павлова – изучение секреторной иннервации поджелудочной железы. За нее 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). Однако его надежды стать ассистентом Циона, назначенного в академию ординарным профессором кафедры физиологии, не сбылись. Цион уехал из России, после того как правительственные чиновники воспрепятствовали этому назначению, узнав о его еврейском происхождении.

Молодой ученый проявил принципиальность, отказавшись работать с преемником Циона. Павлов стал 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 Р. Гейденгайном, специалистом в области пищеварения. В следующем году по приглашению С. Боткина Павлов трудится в физиологической лаборатории при его клинике в Бреслау. Он еще не имеет медицинской степени. (Павлов получит ее через два года.) В лаборатории Боткина Иван Петрович фактически руководил всеми фармакологическими и физиологическими исследованиями. В том же году он 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 1881 году произошло счастливое событие: Иван Петрович женился на Серафиме Васильевне Карчевской, от которой у него родились четыре сына и дочь. «Искал в товарищи жизни только хорошего человека, – писал Павлов, – и нашел его в моей жене Саре Васильевне, урожденной Карчевской, терпеливо переносившей невзгоды нашего допрофессорского житья, всегда охранявшей мое научное стремление и оказавшейся столь же преданной на всю жизнь нашей семье, как я лаборатории».

Однако так хорошо начавшееся десятилетие стало самым тяжелым для него и для его семьи. «Не хватало денег, чтобы купить мебель, кухонную, столовую и чайную посуду», – вспоминала его жена. Бесконечные скитания по чужим квартирам – долгое время Павловы жили вместе с братом Дмитрием в полагавшейся ему университетской квартире. Тяжелейшее несчастье – гибель первенца Мирчика, а буквально через год опять неожиданная смерть малолетнего сына, отчаяние Серафимы Васильевны, ее продолжительная болезнь. Все это выбивало из колеи, отнимало силы, столь необходимые для научных занятий.

Это был год, который жена Павлова назовет «отчаянным», – когда мужество изменило Ивану Петровичу. Но на помощь пришла жена. По ее настоянию ученый вплотную занялся научной работой. В 1883 году он защитил диссертацию на соискание степени доктора медицины, посвященную описанию нервов, контролирующих функции сердца.

Павлов был назначен приват-доцентом в академию, но вынужден был отказаться в связи с дополнительной работой в Лейпциге с Гейденгайном и К. Людвигом, двумя наиболее выдающимися физиологами того времени. Через два года Павлов вернулся в Россию.

Впоследствии он написал об этом – скупо, несколькими фразами обрисовав столь многотрудное десятилетие: «Вплоть до профессуры в 1890 году, уже женатому и имевшему сына, в денежном отношении постоянно приходилось очень туго, наконец, на 41-м году жизни я получил профессуру, получил собственную лабораторию… Таким образом, вдруг оказались и достаточные денежные средства, и широкая возможность делать в лаборатории что хочешь».

К 1890 году труды Павлова получили признание со стороны ученых всего мира. С 1891 года он заведовал физиологическим отделом Института экспериментальной медицины, организованного при его деятельном участии. Вместе с тем Иван Петрович одновременно оставался руководителем физиологических исследований в Военно-медицинской академии, в которой проработал с 1895 по 1925 год.