В 1864 году Павлов успешно окончил Рязанское духовное училище и был сразу же принят в духовную семинарию. Здесь он показал себя очень работоспособным учеником, одним из лучших в своем классе. Он даже давал частные уроки, получив репутацию хорошего репетитора. Во время своего обучения Павлов впервые познакомился с научным трудом М. Сеченова «Рефлексы головного мозга». Во многом именно эта новая заинтересованность в бурно развивающейся в то время науке заставила его отказаться от продолжения духовной карьеры.
После получения в 1875 году звания кандидата естественных наук Павлов поступил на третий курс Медико-хирургической академии в Санкт-Петербурге. Летом 1877 года он работал в городе Бреслау в Германии с Рудольфом Гейденгайном, специалистом в области пищеварения. В следующем году, по приглашению С. Боткина, он начал работать в физиологической лаборатории при его клинике в Бреслау, еще не имея медицинской степени, которую Павлов получил в 1879 году. В лаборатории Боткина Павлов фактически руководил всеми фармакологическими и физиологическими исследованиями. В том же 1879 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.
К 1890 году труды Павлова получили признание ученых всего мира. С 1891 году он заведовал физиологическим отделом Института экспериментальной медицины, организованного при его деятельном участии; одновременно он оставался руководителем физиологических исследований в Военно-медицинской академии, в которой проработал с 1895 по 1925 год.
Будучи от рождения левшой, как и его отец, Павлов постоянно тренировал правую руку, и в результате настолько хорошо владел обеими руками, что, по воспоминаниям коллег, «ассистировать ему во время операций было очень трудной задачей: никогда не было известно, какой рукой он будет действовать в следующий момент. Он накладывал швы правой и левой рукой с такой скоростью, что два человека с трудом успевали подавать ему иглы с шовным материалом».
Считая, что умирающее на операционном столе и испытывающее боль животное не может реагировать адекватно здоровому, Павлов воздействовал на него хирургическим путем таким образом, чтобы наблюдать за деятельностью внутренних органов, не нарушая их функций и состояния животного. Мастерство Павлова в этой трудной хирургии было непревзойденным. Более того, он настойчиво требовал соблюдения того же уровня ухода, анестезии и чистоты, что и при операциях на людях.
Используя данные методы, Павлов и его коллеги показали, что каждый отдел пищеварительной системы – слюнные и дуоденальные